大尺寸碳化硅基空间反射镜制备工艺及性能

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SIC反射镜制备

? The choice of material on mirror（1）
目前反射镜的材料已发展到第三代。第一代反射镜材料是玻璃，如Zerodur、Quarts、ULE(Ultra-Low Expansion) 玻璃等，最有代表性的是 Zerodur。Zerodur是德国Schott公司微晶玻璃的牌号，它用于光学、光电和精密工程，其膨胀系数近似为零。它是一种高均匀性的材料，即使是直径数米的材料中的不同地方其热性能和机械性能几乎没有偏差。既能做重达几吨的块料，又可做很小的元器件。玻璃的密度适中，可抛光性强，可制成很好的镜面材料。但微晶玻璃比刚度低，容易变形，要使玻璃成像质量稳定，反射镜的直径和厚度需要满足一定的比值，因此玻璃反射镜重量比较大。此外，由于玻璃导热性能和抗热震性能差，难以强制水冷，所以不适宜制作大型空间反射镜。
? 法国制备的直径为 352mm 的轻型碳化硅反射镜重量仅为 1.7kg。俄罗斯为美国制备的直径为 630mm 轻型碳化硅主镜仅为 13.5kg。德国Donier公司(Donier Satellite Systems DSS) 采用LSI方法制备的C/SiC复合材料反射镜作为空间望远镜主镜，直径 630mm，重量仅为4kg。
空间用SiC反射镜发展现状
中科院长春光机所 2007级博士：王永宪
导师：任建岳
? Introduce（1）
随着前苏联第一颗人造卫星的成功发射，人类正是进入航天时代。世界各国不断投入大量的人力、物力和财力进行航天探索。空间飞行器的主要任务是收集信息，而空间光学系统作为空间飞行器的“眼睛”具有极其重要的作用。空间光学系统具有不受地域限制、侦查区域广、可进行连续动态探测等优点。因而对于空间光学系统展开研究具有重要意义。目前空间光学系统通常采用反射式机构，由此可见反射镜的地位和重要性。反射镜主要用于大型宇航望远镜、预警卫星、探测卫星、侦查卫星、气象卫星、高能激光发射器、激光雷达系统、 X射线和真空紫外线望远镜、空间用红外望远镜和高分辨率相机等。

大口径轻质SiC反射镜的研究与应用

第7卷　第4期2014年8月　中国光学 Chinese Optics Vol.7　No.4Aug.2014 收稿日期:2014⁃03⁃25;修订日期:2014⁃05⁃18文章编号　2095⁃1531(2014)04⁃0552⁃07大口径轻质SiC 反射镜的研究与应用赵汝成1,2∗,包建勋1,2(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室,吉林长春130033)摘要:介绍了大口径轻质碳化硅反射镜镜坯的基本结构、性能测试指标、国内应用及发展前景;阐述了碳化硅凝胶注模成型(Gel⁃casting)、反应烧结SiC(RB⁃SiC)与压力成型、常压烧结SiC(SSiC)两种国内主要制备大口径轻质碳化硅反射镜的方法;并对两种方法制备得到的ϕ1.45m 碳化硅镜坯的性能、测试数据及光学加工后的光学特性进行分析和比对,提出存在的问题,以供商榷,进而促进国内大口径轻质碳化硅反射镜的研究和发展。

关　键　词:碳化硅;大口径碳化硅反射镜;制造工艺中图分类号:TH743 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20140704.0552Investigation and application of large scale lightweight SiC mirrorZHAO Ru⁃cheng 1,2∗,BAO Jian⁃xun 1,2(1.Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China ;2.Key Lab of Optics System Advanced Manufacturing Technology ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :zhaoruchengciomp@Abstract :The structures,performances and applications of large scale lightweight SiC mirror blank were in⁃troduced.Two fabricating process dominating in our country,namely gel⁃casting forming followed by reaction sintering(RB⁃SiC)and Sintered Silicon Carbide(SSiC)via pressure molding and pressureless sintering,wereelaborated which were adopted to produce ϕ1.45m lightweight SiC mirrors.By comparing the performances,testing results and optical properties SiC mirrors fabricated via two different processes mentioned above,we an⁃alyse the problems existing in the fabricating process to further improve the development of large scale light⁃weight SiC mirror.Key words :SiC;large scale SiC mirror;fabricating processing1　引　言随着空间科学研究的迅猛发展,涉及深空探测、天文光学及对地观测等领域的研究已成为发达国家的一个主要研究目标。

空间相机反射镜碳化硅材料性能测试

这种方法制备ＳｉＣ沉积速率较慢，工艺时问比较长，不能制备出适合轻量化的复杂形状，因此一般将ＣＶ胁ＳｉＣ应用在ＳｉＣ镜体的表面改性上。
目前国内参与大尺寸轻型ＳｉＣ反射镜研究的单位主要有：中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和哈尔滨工业大学等。上海硅酸盐研究所制备的方法是热压烧结ＳｉＣ，长春光机所与哈工大的制备方法是反应烧结ＳｉＣ。
３ＳｉＣ材料特性
选择反射镜镜体材料必须考虑的因素：（１）高比刚度；
（２）尺寸稳定性：要求膨胀系数低，热传导率高，比热低，能经历３～１０年的温度和应力循环；
（３）能经受其它环境影响：如吸湿、辐射影响等；
（４）镜体质量和总体成本低；（５）加工性能：要求可抛光到所需的面形精度，反射性好（必要时镀膜）。与其它常用玻璃和金属相比，ＳｉＣ具有一些优异属性，被认为是前景广阔的反射镜材料。ＳｉＣ的优良特性包括：比刚度极高，热传导率高，尺寸稳定性突出。表２对ＳｉＣ和其它常用光学材料的属性进行了比较。
万方数据
第８期
高明辉，等：空间相机反射镜碳化硅材料性能测试
１１７３
图１长条形ｓｉｃ镜表面粗糙度检测结果
Ｆｉｇ．１
ＴｅｓｔｇｒａｐｈｏｆｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｌｏｎｇｓｔｒｉｐＳｉＣｍｉ”ｏｒ
茸
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Ｕ
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（ｂ）ｓｉｃ镀ｓｉ的反射率曲线图
（ｂ）ＲｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙｃｕｒｖｅｏｆＳ卜ｃｏａｔｅｄＳｉＣ
第ｌ５卷第８期２００７年８月
光学精密工程
０ｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．１５Ｎｏ．８Ａｕｇ．２００７

大口径SiC反射镜组件研制技术

第３７卷第６期
２１００年６月
光电工程
Ｏｐｔ — ｅｔｏｉｇｎｅｉｇｏＥｌｃｒｎｃＥｎｉｅｒｎ
Ｖ１７ＮＯ６ｂ．．．３Ｊｎ，００ｕｅ２１

文章编号：１０ — ０Ｘ（０００ — １８００３５１２１）６００ — ５
（ｈｎｃｕｓｔｅｆｐｉ，ｉｅｃａｉｎ脚ｓＣｉｓｃｄｍｃｅｃｓＣａｇｈｎ１０３，ｈｎＣａｇｈｎｎｔｕＯｔｓＦｎｈｎｃａｄＩｉｔｏｃＭｅｓｉ，ｈｎｅａｅｙｏｉｅ，ｈｎｃｕ３０３ＣｉｃｅＡｆＳｎａ）
ＤｅｉｎａｄＦａｉａｉｎＴｅｈｎｌｇｆｓｇｎｂｒｃｔｏｃｏｏｙｏＬａｇｒｅＡｐｅｔｒｉＭｉｒｒＡｓｅｂｙｒｕｅＳＣｒｏｓｍｌ
ＹＡＮＹｏｎｇ，ＷＡＮＧＤｏｎｇ，ＪＮｕａＩＧｎｇ
Ａｔｈａｉ，ｔｅｄｆｅｅｃｆｔｅｍｉｏｙｔｅｉｃｇｒｒｏＳｗａ．０ｋｂｆｒｎｆｅｅｖｂａｉｎｅｓｍｅｔｔｍｅｈｉｒｎｅｏｒｒｓｎｈｓｓａｅｆｕｅｅｒｆｈｆｉＲＭｓ００９ｅｏｅａｄａｒｔｉｒｔｔｈｏｅｐｒｎ．ＡｌｔｅｅｐｒｎａｅｕｔｓｏｔａｈｉｒｏｓｅｌａｉｆｓｔｅｒｑｉｍｅｔｆｌｈｅｇｔｘｅｍｅｔｉｌｈｘｅｉｍｅｔｌｓｌｈｗｈｔｔｅＳＣｍｉｒｒａｓｍｂｙｓｔｉｈｅｕｒｒｓｓｅｅｎｓｏｉｔｉｈｇｗｃｍｅａｖｒｌＭｏｅｖｒｔｅｄｓｎｔｃｎｌｇｏｈｒｆｈｉｒｏｓｅｌｓａａｔｅｔｅｏｈｒｌｇａｒｅｙｗｅ１．ｒｏｅ，ｈｅｉｅｈｏｏｙｆｗｃａｏｅＳＣｍｉｒａｓｍｂｙｉｄｐｉｔｔｅａｅｇｌｔｔｒｖｏｈｒ

碳化硅反射镜材料制备技术中预制体成型流程

碳化硅反射镜材料制备技术中预制体成型流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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大尺寸轻型碳化硅反射镜的凝胶注模成型

体积分数控制为６％。镜体收缩率＜．６１８％．是一种制备大尺寸碳化硅反射镜镜体的良好工艺方法２
关键词：碳化硅：轻型反射镜：疑胶注模成型
中图分类号：Ｔ７３Ｈ０
文献标识码：Ａ
ＤｏＩ：１．７８０ＭＥＩ２０７１．０２０３８／０１２０５１
脂在镜坯中所占据的轻量化空间；待脱模、十燥后，
体、交联剂、分散剂、化剂等有机试剂：制备一块大尺寸的碳化硅镜体，所需浆料的重量都在５ｇ０ｋ以上：因此，对于浆料制备过程中的每一个环节都有较为严格的技术要求。预混液的成分、试剂的用量、浆料的粘度及温度的控制范围都是制备一块优质大尺寸碳化硅镜体的主要参数。
料是一个复杂的多相体系，包括ＳＣ微粉、有机ｉ
照此延续．计算 ¨ 模具内镜坯的岛度日宽度、１叭直径、球面半径月等模具寸；完成镜士的模具。不设计要求。镜体内部结构的轻量化结构则采川一种先进的高分子可溶树脂Ｈ一型，根据镜体的轻量化空格空Ｔ１间大小造型，并精确地加到位，有序地『定存镜古Ｉ坯模具的后背板上。当浆料注入模具凝胶成型，并具备了一定的强度后，将消失模水溶液通过模具的上盖板注入坯体的轻量化孔内，溶解消除Ｈ一型树Ｔ１
Ｇｅ－ａｔｇＴｃｎｌｇｆＬｒｅｓａｅＳｉｒｏａｋｌｃｓｉｅｈｏｏｙｏａｇ－ｃｌＣＭｉｒｎｒＢｌｎ

空间用碳化硅反射镜的设计制造与测试

捌谚
（ｃ）正六边形结构
（ｃ）Ｈｅｘａｇｏｎｃｅｌｌ
卫⑨
口口工二皿
剖面爿．Ａ
蛾册
（ｄ）扇形结构
（ｄ）Ｓｅｃｔｏｒｃｅｌｌ
图１空间用碳化硅反射镜结构示意图
Ｆｉｇ．１ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｋｅｔｃｈｏｆＳｉＣｓｐａｃｅ－ｂｏｒｎｅｍｉｒｒｏｒ
（ａ）三角形结构
（ａ）Ｔｒｉａｎｇｌｅｃｅｌｌ
ＵＯ
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０Ｉ膏挈最Ｏ
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㈧置
鼍
０２０
４０
６０
８０
２０／（。）
（ａ）反应烧结碳化硅
（ａ）ＲＢ－ＳｉＣ
图２空间用碳化硅反射镜制备工艺示意图
Ｆｉｇ．２
ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｓｋｅｔｃｈｏｆＳｉＣｓｐａｃｅ—
ｂｏｒｎｅｍｉｒｒｏｒ
空间用碳化硅反射镜的制备工艺过程如图２所示。通过这种工艺，能够制备直径将近１Ｉｎ的空间用反应烧结碳化硅反射镜体，同时制造出直径为２５０ｍｍ的六边形蜂窝状加强筋结构的圆形平面反射镜镜片，用来证明整个工艺过程的可行性，并对其进行了各项性能的测试。
组织，薄膜为单相ＳｉＣ，反射镜的机械、热性能优异，薄膜与基体结合强度为３４５．５ＭＰａ，研磨后镜面表面粗糙度达到
１．４８７ｎｍｒｍｓ。采用本文工艺方法有能力制备米级直径的空间用碳化硅反射镜。
关键词：空间用反射镜；反应烧结；化学气相沉积；碳化硅；光学加工；光学检验
中图分类号：ＴＨ７０３
文献标识码：Ａ
表１侯选材料的机械性能和物理性能Ｔａｂ．１Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｅｌｅｃｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ

大尺寸轻型碳化硅质镜体的制造与材料性能测试

４１ＭＰ．ａ・ｍ“ ｎｏｆｉｉｎｆｔｅｍａｅｐｎｉｎ（ａｄｃｅｆｃｅｔｏｈｒｌｘａｓｏＣＥＴ）ｏ．７１一／ｆ２６ × ０Ｋ．Ｔｈｕｆｃｏｇｎｓｅｓｒａｅｒｕｈｅｓ
（ＲＭＳｏｈｏｉｈｄｍｉｒｒｉｂｔｅｈｎ３ｎ，ｉｉａｆｎｔｒａｏｈｐｃ — ｏｎａｇｃｌ）ｆｔｅｐｌｅｒｏｓｅｔｒｔａｍｓｔｓｉｅｍａｅｉｌｆｒｔｅｓａｅｂｒｅｌｒｅｓａｅ
３０ｍｍｒｒｐｒｄｗｉｈｇｌａｔｇｍｅｈｄＡｆｅｒｉｇ０ｗｅｅｐｅａｅｔｅ — ｓｉｔｏ．ｃｎｔｒｄｙｎ，ｂｒｉｇｏｔｔｅｏｇｎｃｅｅｎｓｎｕｎｎｕｈｒａｉｌｍｅｔ，ｉ～ｆｌａｉｇｃｒｏｎｅｃｉｎｓｎｅｉｇ，ｔｅｒａｔｏ — ｏｄｄＳＣ（ — ｉｉｒｔｎａｂｎａｄｒａｔ — ｉｔｒｔｏｎｈｅｃｉｎｂｎｅｉＲＢＳＣ）ｍｉｒｒｒａｒｃｔｄｒｏｓｗｅｅｆｂｉａｅ
．
ＴｈｅｕｔｆｇｏｎｒｏｓｓｏｔａｈｔｕｔｒｆＲＢ— ｉｓｆｌｓｌｅｒｓｌｏｒｕｄｍｉｒｒｈｗｈｔｔｅｓｒｃｕｅｏｓＳＣｉｕｌｏｉｄ。ａｄｔｅｍｅｈｎｃｌｎｎｈｃａｉａｄａｔｅｍａｒｐｒｉｓｏｈｒｌｐｏｅｔｆＲＢ— ｉｒｘｅｌｎｎｂｎｉｇｓｒｎｔｆ３０ｅＳＣａｅｅｃｌｔｉｅｄｎｔｅｇｈｏ５ＭＰｅａ，ｆａｔｒｏｇｎｓｆｒｃｕｅｔｕｈｅｓｏ

真空反应烧结大尺寸碳化硅反射镜

就会在毛细管的吸附下渗入素坯中；碳（）开始溶Ｃ
解于液态Ｓ，同时发生化学反应生成熔融的碳化硅ｉ
无毒、抗震、耐腐蚀，制备过程不需特殊设备。因此，国外的空间光学探测仪器均将ＳＣ陶瓷作为反ｉ
射镜镜体的首选材料【】ｌ。随着空间技术的发展，为＿］了提高空间探测器的分辨率，同时实现更高的成像
ｍａｅｂｅ — ａｔｇｍｅｈｄｉａｕｍｕｎｃ．ｈｅｔｇｒｓｌｈｗｄｔａｔｅｓｒｃｕｅｏＢ— ｉａｕｌｄｙｇｌｃｓｎｔｏｎｖｃｕｆｒａｅＴｅｔｓｎｅｕｔｓｏｅｈｔｈｔｔｒｆＲＳＣｗｓｆｌｉｉｓｕ
导热性能良好、可得到较好的光学加工表面；而且
再沉淀型口。我们通过大量的实验数据和理论分析，认为反应烧结碳化硅（ＢＳＣＲ — ｉ）的过程为溶解与扩散并存较为合理。当体系温度上升到Ｓ的熔点１２ｉ０Ｃ４ｑ
时，即可出现熔融Ｓ，与素坯表面的碳接触，发生化ｉ学反应生成ＳＣｉ．在炉内真空压力的作用下，液态Ｓｉ
ｇｏｎｕｆｅｏｇｎｓＲ）ｏｌｅｅｅａｍ．ｏｔｅＲ－ｉｅｍｃａｆｅｔｉｌｏｔｐｃ — ｒｕｄｓｒｃｕｈｅｓ（ＭＳｃｕｄｂｔｒｈｎ３ｎＳＢＳＣｃｒｉｗｓｎｅａｆｅｓａｅａｒｂｔｔｈａｍａｒｒｈｉ
ＺＨＡＯ－ｈｎＲｕｃｅｇ
（ｈｎｃｕｓｉｅｏｐｉ，ＦｎｃａｉｄＰｙｉ，ＣａｇｈｎＩｔｕＯｔｓｉｅｈｎｓｈｓｓｎｔｆｃＭｅｃａｎｃＣｉｓＡａｅｙｏＳｉｃｓＣａｇｈｎ３０３Ｃｉａｈｎｅｃｄｍｃｎｅ，ｈｎｃｕ１０３，ｈｎ）ｅｆｅＡｓｒｃ：ｈｐｃｌｒｄｉｃｎｃｒｉｓｃｃｒｃａｒａｅｙｒａｔｎｓｔｉｇｆｍＳＣｂａｋｗｉｂｔｔＴｅｏｔａｇｅｓｉａｂｅ（ｉ）ｅａｓｐｅｒｄｂｅｃｏｉｅｎｏｉｌ，ｈｃａｉａｌｏｄｍｉｗｐｉｎｒｒｎｈ

碳化硅轻量反射镜的超精密加工

碳化硅轻量反射镜的超精密加工碳化硅( SiC )是硬度仅次于金刚石的陶瓷材料。

它具有耐热、耐磨损、耐环境、比刚度高、热传导率高、热膨胀系数小等优良特性,现已在半导体、能源及航空与航天领域得到了广泛的应用。

特别是在航天领域,随着反射镜的大型化,对高刚性轻量主镜的需求也随之增大。

而碳化硅制造技术的进步,使之成为大型主镜的首选材料。

例如,日本即将发射的远红外探测卫星(ASTRO - F)的直径760 mm主镜即采用了碳化硅陶瓷材料。

在线电解修整( ELD )磨削技术已经在各类硬脆性材料的超精密加工中得到广泛的应用，可实现陶瓷材料的高效镜面加工,加工后表面粗糙度可控制在纳米级尺度,甚至可免除后续抛光工序，从而大大减少加工所需时间,降低加工成本。

本文介绍利用ELD 磨削技术来加工口径为360mm碳化硅球面反射镜。

该镜设计成三角形多孔结构以减轻重量,且光学面和背面加强筋都很薄。

为此需要一套专用的静压组合夹具,以减少加工过程中因磨削力引起的工件变形,保证球面镜的轮廓形状精度。

同时在加工过程中利用机载在线测量系统跟踪球面镜的面形误差,反复进行误差补偿磨削以提高面形精度。

1碳化硅镜坯设计与制造研制大口径反射镜要求在具有足够高的动静态刚度的条件下对它进行最大程度的轻量化设计,以降低高精度运动机构控制的难度和发射成本。

图1一个口径为360 mm 的常压烧结碳化硅球面镜坯。

根据反射镜实际尺寸要求：反射面(球面)轮廓直径为2.38m，为了减轻重量, 碳化硅反射镜背部设计成三角形多孔结构,中心断面呈梯形状,中心孔径为110mm，考虑到陶瓷毛坯烧结过程中的收缩变形和翘曲导致的形状偏差,镜坯光学面的初始厚度定为5mm,而后通过粗磨降低到4mm。

2加工变形预测与对策加工将在图2所示的超精密二轴CNC磨床上进行。

该机床具有直径为800mm的旋转工作台。

进给驱动轴为全闭环反馈控制,进给分辨率为10 nm。

各轴均用油静压导轨,主轴和工作台轴承也是油静压轴承,主轴和旋转工作台的最大转速分别为2 000 r/m in和200r/m in。

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第39卷第5期2007年5月哈尔滨工业大学学报J OURNAL OF HARBI N I NSTI TUTE OF TECHNOLOGYVo l 139N o 15M ay 2007大尺寸碳化硅基空间反射镜制备工艺及性能张宇民,周玉锋,韩杰才,胡路阳,姚旺,韩媛媛(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001,E -m a i :l zhy m@h i t .edu .cn)摘要:采用轻量化的硅/碳化硅复合材料制造大尺寸摆镜或高分辨率相机的主镜.该材料的组织构成是双峰分布的碳化硅晶粒和游离硅.利用碳化硅、碳注浆成型制备复杂轻量化结构的的素坯.在硅气相渗透过程中,碳与硅反应形成新的碳化硅,过量硅填充坯体孔隙.由于干燥和反应过程中收缩量小,可用来制备形状复杂且无缺陷的大尺寸样品.硅/碳化硅复合材料可用作空间光学镜面基板,利用电子束物理气相沉积,在基板上沉积硅膜,同时检测硅/碳化硅复合材料和硅膜的性能.制备了各种尺寸的空间用反射镜,直径为120mm 的六角形镜面重0123kg ,厚度15mm ,表面抛光并镀硅膜,后开式蜂窝状结构的面密度为2413kg /m 2,面形精度为011K @63218n m p-v ,表面粗糙度<3n m r ms .利用有限元分析方法估计实际条件下的应力和变形.关键词:碳化硅;空间反射镜;陶瓷;复合材料中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:0367-6234(2007)05-0783-04Large cera m ic m irror for space optical applicationsZHANG Yu -m in ,Z HOU Yu -feng ,HAN Jie -ca,i HU Lu-yang ,YAO W ang ,HAN Yuan -yuan(Center fo r Com posite M a teria l s ,H arb i n Instit ute o f T echno l ogy ,H arbin 150001,Ch i na ,E -m a i:l z hy m@h it .edu .cn)Abst ract :L i g ht w eight cera m ic co mpositem irrorsw ere prepared for the large po i n ter m irror or the pri m ary m irrorof t h e high resolution ca m era .The Si/S i C co mposite w as a cera m ic m atrix o f free silicon contai n i n g a bi m odal distri b ution of silicon carbide grai n s .The g reen body o f silicon carbide grains and free carbon was fabricated by sli p casting .I nserts w ere used to for m the co m plex li g ht w eight structure .Duri n g silicon vapor i n filtrationprocess ,silicon reacted w ith car bon to for m ne w silicon car b i d e phase and t h e pores of green body disappeared .Because there are ver y little shrinkage duri n g dry i n g and reacti o n process ,the large scale pr oducti o n w ith co m -plex shape has no crackles and distortions .The resu lts i n d icated that S i/S i C co mposite cou l d be used as space opticalm irror substrates .U sing e lectr on bea m physica l vapor deposition ,w e prepared a silicon fil m on the m ir -ror substrate .The properties and m i c rostructure of Si/S i C co mposite and Si fil m were m easured .W e fabricated so m e space m irrors w ith various scales .A 120mm hexagonalm irr o r w ith 15mm thickness and 0123kg w e i g h t w as polished and coated w ith Si fil m .Open back honeyco mb li g ht w eight structure w as produced to gai n 2413kg /m 2areal density .Polish i n g technique different fro m optica l glass polish i n g w as i n troduced to ach i e ve less tha n 011K @63218nm p-v surface error and less than 3n m r m s surface roughness .The stress and d i s -place m ent under factual cond ition w ere esti m ated usi n g fi n ite ele m ent ana l y sism ethod .K ey w ords :sili c on car b ide ;space opticalm irror ;cera m ic ;co m posite 收稿日期:2007-03-12.作者简介:张宇民(1970)),男,教授;韩杰才(1966)),男,教授,博士生导师.反射镜要求低成本、质量轻、稳定性好、硬度大.空间镜片材料尤其需要具有密度小的特点,因此反射镜设计主要任务是减重.镜子可以设计成由光滑致密的面层和轻量化的镜体组成.轻量化结构包括减小结构厚度,多孔结构和泡沫结构.多孔结构可以通过钻盲孔、蜂窝结构和三明治结构来实现.蜂窝结构可以通过近净成型工艺制备[1-4].空间反射镜常用的材料有石英、单晶或多晶硅和碳化硅.80年代,空间反射镜材料多采用金属材料(铝、铍)、石英,碳化硅只是作为替代品.进入90年代后,由于制造设备和工艺的发展,碳化硅的性能不断提高,已成为主要的空间反射镜片材料[5-9].当今,俄罗斯和美国已经具备了制造碳化硅镜片的先进技术[10-17].本文制造了各种尺寸的空间用反射镜,其尺寸从直径为120mm 到椭圆长轴超过750mm 不等.制备的硅/碳化硅反射镜,通过特殊抛光工艺达到要求的面形精度.在硅/碳化硅反射镜上分别气相沉积硅膜和碳化硅膜,并对膜层进行研究.1 实验方法空间反射镜的主要制备过程:1)用有限元分析设计满足光学要求的镜面;2)烧结碳化硅坯体;3)初磨;4)电子束物理气相沉积硅膜或化学气相沉积碳化硅膜;5)抛光;6)测试物理和光学性能.反射镜精度决定了光学系统的精度,面形精度和表面粗糙度是最重要的两个光学设计参数,根据这两个参数进行有限元分析和结构优化设计.成型工艺采用注浆成型技术,首先将碳化硅微粉和碳粉混合制成悬浮胶体,然后加入蒸馏水和分散剂,将悬浮胶体浇注到石膏模具中,干燥,打开模具,放入烘干炉中烘干.加热曲线对烧结过程至关重要.为了除去有机分散剂需要从室温缓慢加热到500e .达到1410e 以上,硅渗入坯体中与游离碳反应形成新的碳化硅,同时把坯体中的碳化硅微粉粘结,多余的硅填充在坯体孔隙内.在研磨过程中,研磨材料应该选用比碳化硅更硬的金刚石或碳化硼.碳化硅的抛光过程比光学玻璃的抛光过程所需时间长.如果镜子表面粗糙度要求<1nm ,则需要在坯体表面电子束物理气相沉积硅薄膜或化学气相沉积碳化硅薄膜.不过,制备出无变形和残余应力的大尺寸薄膜难度很高.2 反射镜设计和有限元分析设计和分析了包括主镜、次镜和摆动反射镜12个镜片.4种反射镜的参数见表1,示意图见图1.表1 各种尺寸反射镜结构形式编号形状直径/mm 面板厚度/mm加强筋厚度/mm表面形状轻量化结构M 12六边形120153平面三角形M 250圆形250304平面六边形M 117圆形117203球面三角形M 650圆形650654球面三角形图1 碳化硅反射镜示意图通过用壳单元表示面板和加强筋,可以建立反射镜模型.模型密度3108g /c m 3,弹性模量350GPa ,泊松比0117.M 120、M 250、M 117、M 650的模型质量分别为01260、11700、01237、11700kg .位于加强筋交接处的三点被约束在同一点.在面板垂直方向加载1g 负荷.通过变形、应力计算和模态分析,M 120、M 117、M 250、M 650的最大变形量分别为315、519、247、128n m,应力低于2M Pa .固有频率结果如表2所示.表2 碳化硅反射镜的固有频率编号12345678910M 12069946994100910822138731387316339163411945322981M 2502428242935383932408140855812627762916620M 1176873136877117190198481118496161034015581185801859322206M 6501326111346181836122294182854152876192898113101123134153434183 镜坯的制备与研磨反射镜的复杂轻量化结构通过成型时加入型芯获得,成型和干燥过程需要细致工作.对于大尺寸的反射镜,准备大尺寸复杂的坯体很困难,因为在干燥过程存在收缩,从而坯体可能产生裂纹.大#784#哈尔滨工业大学学报第39卷尺寸烧结反射镜硬度高,因为温度的不一致导致了微观结构的不一致,这要通过缓慢的加热和冷却避免.反应烧结碳化硅收缩很小,所以复杂结构的坯体制成镜体后,尺寸基本没有变化.符合要求的反射镜还需要经过研磨和抛光的过程,以达到要求的精度.反射膜常采用金属,包括镍-铬、铝、银、二氧化硅和氧化锆膜.M 120、M 250、M 117、M 650反射镜面及轻量化结构见图2~5.(a)反射镜面 (b )轻量化结构图2 M 120碳化硅的实际质量和一些参数见表3.从设计的角度,加强筋越薄越好.从制造的角度,很薄的加强筋较难获得.一般地,厚度为3~5mm.(a)反射镜面轻量化结构图3 M250(a)反射镜面轻量化结构图4 M 117图5 M 650的轻量化结构表3 反射镜结构参数编号质量/kg 面积/m 2面密度/(kg #m -2)轻量化率/%波前误差p -v @63218nm表面粗糙度R q /nmM 120M 250M 117M 650012311720124191700100936010490001010750133180241435112214591449.062.064.070140110011001100125<3<3<3<34 EB-P VD 硅膜和CVD 碳化硅膜采用电子束物理气相沉,能在硅/碳化硅镜面上覆盖厚度为1~100L m 的硅膜.利用化学气相沉积技术,能在硅/碳化硅镜面上覆盖厚度为1~100L m 的碳化硅膜.在实验中,硅/碳化硅反射镜表面的硅膜和碳化硅膜厚度为40L m,其显微结构如图6所示.采用化学气相沉积的S i C 膜,其密度和残余应力比电子束物理气相沉的硅膜大.(a)EB -PVD S i 膜 (b )CVD S i C 膜图6 微观结构5 材料性能与光学测试反应烧结碳化硅的室温性能测试结果如表4所示.其中,密度采用阿基米德法测量,利用FLAS H LI N E TM5000热扩散仪测量热导率,用UN I T H ERMT M1252热膨胀仪测量热膨胀系数,其余力学性能采用标准方法测量.根据结果,尽管硅/碳化硅不如C VD 碳化硅性能好,但硅/碳化硅已经具备足够的刚度和导热性能.镜坯采用金刚石粉研磨和抛光.由于Si C 比玻璃硬,采用与光学玻璃不同的抛光技术,面形精度为011K @63218nm p-v 和<3nm r m s 的表面粗糙度. 采用P VD 方法在S i C 反射镜表面镀银,利用PERK I N EL M ER La m bda 9UV /V I S /N I R 分光光度计测量镀银和没有镀银反射镜的反射率.在可见光波段内,镀银的反射镜反射率能达到97%,而没镀银的反射镜仅为30%,如图7所示.#785#第5期张宇民,等:大尺寸碳化硅基空间反射镜制备工艺及性能表4 S i/S i C 材料性能参数Q /(g #c m -3)E /GPaL R b /M Pa K /(W #m -1#K -1)A /(@10-6K -1)HV HRA 常温测量值3108941601167270161314(RT)~512(1000e )1312(S i),2453(S i C )7814图7 S i C 裸镜的反射率和镀银膜的反射率6 结论1)轻量化硅/碳化硅反射镜可以制备大尺寸指向反射镜或高分辨率相机的主镜.其复合材料密度为31089g /c m 3,孔隙率基本为零;杨氏模量为416GPa ;泊松比为01167;抗弯强度为270MPa ;热导率为161W /(m #K);室温热膨胀系数为314@10-6/K,1000e 时为512@10-6/K ;在游离硅区的显微硬度为1312HV,Si C 区为2453,HRA 为7814.2)制造了各种尺寸的空间用反射镜,其尺寸从直径为120mm 到椭圆长轴超过750mm 不等,轻量化率超过70%.3)采用与光学玻璃的抛光不同的技术获得面形精度为011K @63218n m p-v 和<3n m r m s 的表面粗糙度.4)采用电子束物理气相沉积和化学气相沉积,在硅/碳化硅反射镜上覆盖厚度为40L m 的硅膜和S i C 膜.在可见光波段内,镀银的反射镜反射率达到97%.参考文献:[1]BRECK I NR IDGE J B .A dvanced app licati ons :an ove r -v ie w [J].Cr iti ca l R ev ie w s o f O pti ca l Sc i ence and T ech -nology ,197,CR 77:19-24.[2]PAR S ONAGE T B .Se l ecti ng m irro r m a teria l s for h i gh -perfor m ance optical sy stem [J].SPIE ,1990,1335:119-126.[3]K IS HNER S J ,GARDOPEE G J ,MAG I DA M B ,et al .La rge stable m irro rs :a compar i son of g lass ,bery lli um and s ilicon carbi de[J].SP I E 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