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千里眼的角膜:“光彩照人”的碳化硅反射镜要如何制备?
2022年01月07日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:596
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400多年前,伽利略发明了第一台光学望远镜,将遥远的星空拉近到目之所及,同时也开启了人类利用光学仪器的科学探索之路。

地球望向天空的最大的眼睛

正在建造的欧洲极大望远镜,它被誉为“地球望向天空的最大的眼睛”

说到光学望远镜,顾名思义,它是利用可见光完成成像的,目前的光学望远镜有反射式和折射式两种,而现代大型的光学望远镜系统均采用反射式结构,因为反射式望远镜没有色差的困扰,可实现紫外线到红外线的大范围观测。如果把大型光学望远镜比作人类的“千里眼”,那么主反射镜就是这只“千里眼”的核心部件——“角膜”。

国际上常用的反射镜基体材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍,以及碳纤维/碳化硅复合材料等。与其他材料相比,碳化硅(SiC)具有更大的比刚度(E/ρ)和热稳定性(λ/α),这使得在实现同样的光学口径和精度要求下,碳化硅反射镜具有更小的重量、更优的热稳定性。

4米量级碳化硅反射镜

完美倒映出帅气面容的4米量级碳化硅反射镜

有关资料表明,碳化硅质反射镜与微晶玻璃镜体相比,其轻量化程度大于70%,重量减轻近一半,面形变化比微晶玻璃小1倍,且可进一步进行优化。因此碳化硅也成为大口径反射镜镜坯材料中的佼佼者——如2018年7月时,中国科学院长春光学精密器械与物理研究所就完成了4.03米大口径碳化硅反射镜研制,是当时世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。

表 碳化硅材料与其他常用光学材料的主要物理性质

碳化硅材料与其他常用光学材料的主要物理性质

碳化硅反射镜的制作难点

随着技术发展,碳化硅反射镜的应用领域正在不断扩大,在空间对地观测、深空探测、天文观测和量子通讯等方面都能看到它的身影。

但是,这些高性能空间光学元件往往会要求具有超光滑表面(表面粗糙度<1nm RMS),因此碳化硅材料在反射镜应用方面主要面临以下两方面困难:一方面,由于SiC材料比刚度大,化学稳定性高,很难通过机械力抛光的方法直接获得高质量的SiC光学镜面;另一方面,非常难以直接制备完全致密的SiC材料,残留的气孔等缺陷会影响光学加工质量,最终影响镜面质量。不过令人意外的是,后者的影响其实远比前者要小。

曾有科学家研究过密度对对光学镜面加工质量的影响,初步研究结果如下图所示,在相同加工工艺条件下,碳化硅陶瓷密度对光学镜面加工质量确实有一定影响。当采用一定粒度的金刚石抛光液对碳化硅陶瓷试样进行光学镜面加工时,低密度的碳化硅陶瓷光学镜面加工后表面粗糙度较高,高密度的碳化硅陶瓷光学镜面加工后表面粗糙度较低。

碳化硅密度对光学镜面加工质量的影响

碳化硅密度对光学镜面加工质量的影响

通过光学显微镜观察,碳化硅陶瓷光学镜面加工后表面缺陷主要表现为气孔或缺陷,密度较高的碳化硅陶瓷试样光学镜面加工后,表面气孔或缺陷更少,表面质量更好。另外,降低磨粒尺寸有利于表面质量的提高。

如上所述,碳化硅陶瓷密度对光学镜面加工质量有一定影响,但由图可知,在一定密度范围内(3.09~3.13 g·cm³),光学镜面加工质量差别不大,若进一步改善加工工艺,采用粒度更小的抛光液对碳化硅陶瓷试样进行光学镜面加工后,均可得到较好的表面质量。这说明,当碳化硅陶瓷密度达到一定高度时,密度对光学镜面加工质量的影响可通过光学镜面加工工艺的优化而减小或消除,即影响碳化硅陶瓷光学镜面加工质量的主要因素表现为加工工艺参数,而密度对光学镜面加工质量的影响则可以忽略。

因此综合来看,为使SiC材料具有超光滑表面以满足光学应用要求,目前常用的解决办法主要是:对SiC材料进行表面改性,其方式为在SiC镜体光学表面镀致密化涂层,然后对涂层进行抛光。

碳化硅反射镜的制备与加工

把一块粗糙的、灰黑的碳化硅陶瓷块镜坯打造为光可鉴人的反射镜,变化之大完全不亚于丑小鸭变天鹅,具体的制备流程可看下图。如何在得到较高表面质量的同时实现快速加工,则是材料学界一直以来的研究重点。

碳化硅反射镜的制备与加工

大口径反射镜制造流程
 

大口径反射镜制造流程

1.镜坯制造

制备SiC反射镜的工艺有许多种,除了热压烧结、气相沉积外,最有应用价值的是反应烧结法,具有成本低和可实现净尺寸烧结等优点。

反应烧结法流程为:利用SiC粉制得所需形状的坯体,然后将该坯体在Si气氛下烧结。整个工艺中关键点有以下几个:①烧结体中尽可能少气孔和裂纹;③坯体具有轻量化结构。

2.铣磨粗抛

刚烧结出的碳化硅反射镜必然是粗糙无比,因此它还需要研磨加工才能进一步接近镜子的形象,首先要做的就是粗磨。粗磨方法有两种一种是通过金刚石车床进行加工另一种是研磨法

用金刚石车床进行粗磨具有速度快的优点但由于加工过程中产生的应力很大金刚石刀头会在光学面上留下较深的划痕和破坏层。这些划痕和破坏层为细磨和抛光带来较大的困难所以这种方法较少采用。在采用研磨法时磨具一般采用铸铁盘或碳化硅盘,粗磨磨料一般是采用粒径在100~200μm之间的碳化硅粉或碳化硼粉。碳化硅粉价格便宜,但硬度差,加工效率低;而碳化硼粉价格较贵,但硬度高,加工效率高。粗磨后,工件光学面面形精度的RMS应低于20μm。

毛坯经初步铣磨后的表面状态

毛坯经初步铣磨后的表面状态

3.表面改性

由于镜坯粗磨后其表面粗糙度仍会较高,这种情况必然会产生较强的散射效应,降低光学表面的反射率,使整个光学系统无法实现较高的成像质量。因此,为保证反射镜在空间光学成像系统的正常运作,必须提高其反射率,而表面改性即是解决这一问题的主要手段。

碳化硅材料表面改性主要是在其表面镀致密化涂层,以改善碳化硅材料的可加工性能及覆盖其表面缺陷表面涂层技术是在严格的温度条件下进行的复杂化学物理反应在表面致密化涂层过程中,必须考虑如下因素涂层与碳化硅基体之间有较好的结合强度涂层和碳化硅基体的热膨胀系数要相匹配涂层具备必要的硬度和抗化学腐蚀性能不发生涂层再结晶化过程等目前比较成熟的碳化硅表面致密化涂层技术有化学气相沉积碳化硅(CVD SiC)和物理气相沉积硅(PVD Si)等

碳化硅表面改性前后散射性能对比 

碳化硅表面改性前后散射性能对比

4.精密抛光与镀膜

经过表面改性后,有了涂层的SiC反射镜与之前相比呈现出更少的表面缺陷。不过这还不够,合格的反射镜还需要在改性层基础上进行精抛光,这种方式可以大幅改善光线在反射镜表面的散射。最终可以使反射镜的反射率达到95%以上。

这一步骤的抛光技术主要采用反应接触式光学加工技术和非接触式光学加工技术,前者包括化学机械抛光、磁流变抛光技术(长春光机所的4米量级碳化硅反射镜就使用了这种抛光工艺)等;后者则包括浮法抛光等。与传统机械抛光工艺相比,这些工艺在抛光过程中磨料与试样表面的作用更轻柔,抛光后材料的次表面破坏层更少,表面残余应力较小,加工效果较好,且无磨具磨损,标准面几乎无变化,可重复获得精密的工件表面。

磁流变抛光

磁流变抛光

不过这还没完,可别忘记表面还需涂覆银反射膜和防氧化膜才能算大功告成。就这样,碳化硅陶瓷就能华丽变身,成为“光彩照人”的反射镜啦!

 

资料来源:

碳化硅表面改性和光学镜面加工的研究现状刘桂玲黄政仁刘学建董绍明江东亮

碳化硅光学镜面加工范摘张忠玉牛海燕丰玉琴张学军

碳化硅陶瓷密度对光学镜面加工质量的影响刘桂玲黄政仁陈健刘学建江东亮

且说千里眼角膜”,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。

 

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