大尺寸轻型SiC 光学反射镜研究进展
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。
大口径SiC反射镜组件研制技术
２１ ０ ０年 ６月
光 电工 程
Ｏｐｔ — ｅ ｔｏ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｏ Ｅｌ ｃｒ ｎ ｃＥｎ ｉ ｅ ｒｎ
Ｖ １ ７ ＮＯ６ ｂ ． ． ． ３ Ｊｎ ，０ ０ ｕ ｅ ２ １
文章编 号 ：１０ — ０ Ｘ（０ ００ — １ ８ ０ ０ ３ ５ １ ２ １）６ ０ ０ — ５
（ ｈ ｎ ｃ ｕ ｓ ｔ ｅ ｆ ｐｉ ， ｉｅ ｃａ ｉ ｎ 脚 ｓＣ ｉ ｓ ｃ ｄｍ ｃｅｃｓ Ｃ ａ ｇｈ ｎ１０ ３ ， ｈｎ Ｃ ａｇ ｈ ｎ ｎｔｕ Ｏ ｔ ｓＦ ｎ ｈ ｎｃ ａ ｄ Ｉ ｉｔｏ ｃ Ｍｅ ｓ ｉ ， ｈｎ ｅ ａ ｅ ｙｏ ｉ ｅ， ｈｎ ｃ ｕ ３０ ３ Ｃ ｉ ｃ ｅ Ａ ｆＳ ｎ ａ）
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｆａ ｉ ａ ｉ ｎ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇ ｆ ｓｇ ｎ ｂｒ ｃ ｔｏ ｃ ｏ ｏ ｙ ｏ Ｌａ ｇ ｒ ｅＡｐｅ ｔ ｒ ｉ Ｍ ｉ ｒ ｒＡｓ ｅ ｂ ｙ ｒ ｕ ｅ Ｓ Ｃ ｒ ｏ ｓ ｍ ｌ
ＹＡ Ｎ Ｙｏ ｎｇ， Ｗ ＡＮ Ｇ Ｄｏ ｎｇ， Ｊ Ｎ ｕａ Ｉ Ｇ ｎｇ
Ａｔ ｈ ａ ｉ ， ｔ ｅ ｄｆｅ ｅ ｃ ｆｔ ｅｍｉ ｏ ｙ ｔ ｅ ｉ ｃ ｇ ｒ ｒｏ Ｓ ｗａ ．０ ｋ ｂ ｆ ｒ ｎ ｆｅ ｅｖ ｂ ａｉ ｎ ｅ ｓ ｍｅｔ ｔ ｍｅ ｈ ｉ ｒ ｎ ｅ ｏ ｒ ｒｓ ｎ ｈ ｓｓ ａ ｅ ｆ ｕ ｅｅ ｒ ｆ ｈ ｆ ｉ ＲＭ ｓ０ ０ ９ ｅ ｏ ｅ ａ ｄａ ｒｔ ｉ ｒ ｔ ｔ ｈ ｏ ｅ ｐ ｒ ｎ ．Ａｌ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｉ ｒｏ ｓ ｅ ｌ ａ ｉｆ ｓ ｔ ｅ ｒ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｆ ｌ ｈ ｅｇ ｔ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｉ ｌ ｈ ｘ ｅｉ ｍｅ ｔ ｌ ｓ ｌ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ Ｓ Ｃ ｍｉｒ ｒ ａ ｓ ｍｂ ｙ ｓ ｔ ｉ ｈ ｅ ｕ ｒ ｒ ｓ ｓｅ ｅ ｎ ｓ ｏ ｉ ｔ ｉｈ ｇｗ ｃ ｍｅ ａ ｖ ｒ ｌ Ｍ ｏ ｅ ｖ ｒ ｔ ｅ ｄ ｓ ｎ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｈ ｒ ｆ ｈ ｉ ｒｏ ｓ ｅ ｌ ｓ ａ ａ ｔ ｅ ｔ ｅ ｏｈ ｒｌ ｇ ａ ｒ ｅ ｙ ｗｅ１ ． ｒ ｏ ｅ ， ｈ ｅ ｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｆ ｗｃ ａ ｏ ｅ Ｓ Ｃ ｍｉ ｒ ａ ｓ ｍｂ ｙ ｉ ｄ ｐ ｉ ｔ ｔ ｅ ａ ｅ ｇ ｌ ｔ ｔ ｒ ｖ ｏ ｈ ｒ
超轻量化SiC反射镜的制备及性能
超轻量化SiC反射镜的制备及性能董斌超;张舸【摘要】采用真空辅助凝胶注模和反应烧结法制备了面密度分别为9.35和11.7 kg/m2,直径分别为200和500mm的两块超轻量化SiC反射镜,检测了反射镜的主要性能.结果显示:由于在真空环境下浇注,坯体没有宏观缺陷.材料中细小SiC颗粒的存在使材料具有相对较高的抗弯强度(335 MPa)和断裂韧性(4.5 MPa· m1/2).此外,反射镜材料金相组织中未出现明显的SiC颗粒定向排列,具有较好的各向同性度:不同方向热膨胀系数差异小于3％,模量差异为1.3％.镜坯经过光学加工后面形误差(RMS值)为0.043λ(λ=632.8 nm),表面粗糙度(Ra值)优于5 nm.实验表明,真空辅助凝胶注模成型结合反应烧结工艺制备的超轻量化SiC反射镜各方面性能良好,适用于制备空间相机用反射镜.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)008【总页数】7页(P2185-2191)【关键词】光学制造;SiC;超轻量化反射镜;真空辅助凝胶注模;反应烧结【作者】董斌超;张舸【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TH7031 引言随着空间光学遥感系统分辨率的不断提高，光学系统的口径越来越大，其质量也随之增加，从而导致整个光学遥感系统的质量、复杂程度以及发射成本大幅度上升。
折返式或全反式光学系统的主要部件——主反射镜决定了光学系统的质量，因此主反射镜的超轻量化技术变得非常重要和有意义［1］。
SiC具有优异的力学性能、良好的热学和光学加工性能，是一种很有优势的空间反射镜材料［2－4］，目前超轻量化SiC反射镜已成为国内外研究和关注的热点。
美国Xinetics、SSG、POCO和德国IABG等单位已采用不同的工艺制备出几百毫米到米级的超轻量化SiC反射镜，面密度均小于25kg／m2，IABG所制备的SiC 反射镜面密度甚至达到了8kg／m2［5－6］。
大口径超轻型反射镜定位和支撑方案研究
大口径超轻型反射镜定位和支撑方案研究大口径超轻型反射镜定位和支撑方案研究摘要：本文研究了大口径超轻型反射镜的定位和支撑方案。
首先介绍了大口径超轻型反射镜的应用和优势，并对反射镜的制造工艺进行了简介。
然后详细叙述了反射镜的定位和支撑方案，包括定位精度、支撑方式、支撑结构等方面。
最后结合实际情况，分析了反射镜在使用过程中可能出现的问题，并提出了相应的解决方案。
关键词：反射镜；大口径；超轻型；定位；支撑1. 引言大口径反射镜在太空望远镜和地面望远镜中广泛应用。
比如，在太空望远镜中，远程观察需要高精度反射镜作为光学透镜。
而在地面望远镜中，大口径反射镜可以避免大气湍流的影响，提高观测质量。
然而，大口径反射镜制作难度大，且重量较大，需要精确的定位和支撑方案。
2. 大口径超轻型反射镜的制造工艺超轻型反射镜是近年来研究的一种新型反射镜，主要依靠材料技术的进步和制造技术的提高，将传统的玻璃反射镜转化为轻型复合材料的反射镜。
相比传统反射镜，超轻型反射镜具有重量轻、成本低、精度高等优势。
其制造过程主要包括设计、模具制作、复合材料成型、热处理等步骤。
3. 反射镜的定位和支撑方案反射镜的定位和支撑是反射镜系统中重要的技术难点。
该部分涉及定位精度、支撑方式、支撑结构等方面。
3.1 定位精度精确定位是保证反射镜高精度调焦的重要环节。
为了提高定位精度，需要将反射镜的形状和位置信息反馈到控制系统中，通过反馈控制实现定位。
目前常用的定位方式包括焦距变化法、偏置法和相位控制法等。
其中，相位控制法是一种高精度和实时性较好的方法。
3.2 支撑方式反射镜支撑方式的选择是影响系统稳定性和成像质量的重要因素。
目前主要的支撑方式包括三点支撑、四点支撑、分段支撑等。
其中，四点支撑是一种简单有效的支撑方式，可以保证反射镜稳定性和成像质量。
3.3 支撑结构支撑结构的设计需要考虑反射镜的形状、尺寸和重量等因素。
常用的支撑结构包括刚性支撑和柔性支撑。
刚性支撑适用于大口径反射镜，它能够保证反射镜的形状保持不变，但在振动环境下容易破坏反射镜。
4mSiC轻量化主镜的热控系统设计研究的开题报告
4mSiC轻量化主镜的热控系统设计研究的开题报告
一、研究背景
4mSiC轻量化主镜是目前国内最大的全反射式太阳望远镜主镜，其直径为4米，重量仅为5吨。
该主镜使用了碳化硅材料，具有高的材料硬度和热稳定性，能够避免光学畸变和热变形，提高天文观测的精度和质量。
然而，顶尖天文望远镜的观测需要在高海拔、低温度、低湿度等极端环境条件下进行，这就需要主镜具有优秀的热控制能力，以调节主镜表面温度，避免光学畸变和热变形。
因此，设计一套高效、稳定的热控系统，对于4mSiC轻量化主镜进行顶尖天文观测有着重要的意义。
二、研究目标
本研究旨在设计一套符合4mSiC轻量化主镜特性的热控系统，能够实现对主镜表面的温度控制，以保证天文观测的质量和精度。
具体目标如下：
1. 分析主镜表面温度随环境变化的变化规律，确定温度控制的策略和热控系统的参数；
2. 设计主镜温度传感器和温度调节器，测量和控制主镜表面温度；
3. 针对主镜可能遇到的极端温度情况，设计一套散热系统和加热系统，保证主镜温度始终处于合理范围内；
4. 对热控系统进行仿真和实验测试，验证系统的稳定性和可行性。
三、研究方法
本研究主要采用以下方法：
1. 计算和仿真：采用有限元分析方法和ANSYS软件对主镜表面温度进行模拟和设计主镜热控系统。
2. 实验研究：通过构建实验平台，对设计的热控系统进行验证和测试，验证系统的稳定性和可行性。
四、研究意义
本研究将为我国主流金属轻量化备选材料制造技术的推广和应用奠定科技基础，推动我国望远镜领域研究取得创新性成果，具有重要的意义。
同时，本研究将为国家重大科学工程的顺利实施提供技术支撑，具有重要的应用价值。
SiC反射镜表面改性研究进展
积 的温 度 区 域 相对 较宽 ， ９ ０ １ ０ 均 可发 生 沉 积 。 在 ０ — ０ｏ ６ Ｃ Ｃ Ｄ工 艺 用 于 ＳＣ反 射 镜 表 面 的涂 层 制 备 时 有 如 下 优 Ｖ ｉ
ＳＣ材料的表 面改性 ｉ
ＳＣ材 料 的 表 面改 性 主 要 是 采 用 一 定 的方 法 在 一 定 温 度 ｉ
下 于 ＳＣ表 面覆 盖 一 层 高 致 密 度 的涂 层 具 体 到 ＳＣ反 射 镜 ｉ ｉ
材料 的特定应用环境 ， 研究最早 的方法是采用 热压玻璃在 ＳＣ ｉ
衬鹿表面通过材料遇冷收缩使两者粘结 。 研究量多 、 最成燕 的 是 Ｓｃ和 Ｐ ， ｉ ｉ 、 ｓ 涂层 。 Ｄ
点 ： 过 调 节 沉 积 参 数 可 以 制 备 出 理 论 密 度 、 度 高 达 通 纯
９ ． ９５ ９ ９ ％的 Ｂ ＳＣ， 对 加 工 出超 平 滑 、 散 射 的 高精 度 镜 面 ９ —ｉ 这 低 是ห้องสมุดไป่ตู้十分 有 利 的。 目前 美 国 Ｎ Ｓ Ａ Ａ宇 航 局 采 用 的 Ｃ Ｄ ＳＣ经抛 Ｖ ｉ
各 种 类 型 的缺 点 ， 须 对 ＳＣ反 射 镜 表 面进 行 改 性 。 本 文 综 述 了各 种 表 面 改 性 方 法 、 备 机 理 以及 必 ｉ 制
优 缺 点 ， 后 展 望 了未 来 ＳＣ反 射 镜 的发 展 方 向 ： 最 ｉ 即低 成 本 化 和 大 型 化 。 关键 词 ＳＣ反 射 镜 ； 面 改 性 ；Ｖ ｉ ｉ 表 Ｃ Ｄ ＳＣ涂 层 ；Ｖ ｉ 层 Ｐ Ｄ Ｓ涂
Φ510mm SiC超轻量化反射镜的设计与有限元分析
ａ ｏ ａ ｉ ｔ ｔ ｒｔ ｔ ｕｃ ｕ ｅ ｓ ｃ ｍｐ ｒｎｇ ｗｉｈ ｏ ｈｅ ｗｏ ｓ ｒ ｔ ｒ ｓ ｗｈｅ ｈｅ ｏ ｉａ ｘｉ ｓ ｐｏ ｎ ｅ ｏ ｔ ｅ ｚ ｎ ｔ ｎ ｔ ｐｔｃ １ａ ｓ ｉ ｉ ｔ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉｈ． Ｆｕｒ ｈｅ ｍ ｏ ｅ。 ｔ ｒ ｒ
第 ２ Ｏ卷
第 ８期
光 学 精 密工 程
０ ｐｔｃ ｎｄ Ｐｒ ｃｓｏ ｉｓ ａ ｅ ｉｉ ｎ Ｅｎｇ ｎｅ ｒｎ ｉ ｅ ｉｇ
Ｖ ｏ１２Ｏ Ｎ ｏ． ． ８
Ａ ｕｇ ０１ ．２ ２
２１ ０ ２年 ８月
文 章 编 号 １ ０ — ２ Ｘ（ ０ ２ ０ — ７ ８０ ０ ４９ ４ ２ １ ） ８ １ １ － ７
ｔ ｒ ａ ａ ｔ ｒ ．Ｉ ｓ ｓ ｗｎ ｔ ａ ｎ ｔ ａ ｐ ｎ ｕ ｏ ｔｎｇ ｎ ｍｉｒ ｒ ｂ ｃ ｕ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ｔ ｉ ｈｏ ｈ ｔ ｉ ｈｅ ｓ ｍｅ ６ ｏｉ ｔ ｓ ｐｐ ｒ ｉ ｓ ｏ ｒ ｏ ａ ｋｓ，ｔ ｓ ｕｌｒ —ｉ ｈｔ ｈｉ ｔ ａ ｌｇ —
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｏ ｅ ｅ ｏ ０５ ０ ｄ ｖ ｌ ｐ ａ １ ｍ ｍ Ｓｉ Ｃ ｕｌｒ —ｉ ｈｔ ｉ ｈｔ ｔ ａ ｌｇ ｗｅｇ ｍｉｒ ｒ， ｔ ｓ ｒｏ ｈｉ ｐａ ｒ ｒ ｏ ｅ ａ ｕ ｔａ ｌｇ — ｐｅ ｐ ｏｐ ｓ ｓ ｎ ｌｒ —ｉ ｈｔ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ｗｅｇ ｔ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｗｉｈ ａ ｓ ｃ ｉ ｎ ｉ ｈ ｐ ｆ ｒ ，ａ ｔ ｒ ａ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｒ ｇ ｌ ｒ ｔｉ ｎ ｌ ，ａ ｄ ａ ｆ ｃ ｌｔ ｉ ｈ ｔ ｕ ｔ ｒ ｔ ｅ ｔｏ ｎ ｓ ｉ ｏ ｍ ｎ ｉ ｅ ｎ ｌ ｒ ｃ ｕ ｅ ｉ ｅ ｕ ａ —ｒａ ｇ ｅ ｎ ａ ｅ ｐ ａ ｅ ｎ ｓ
大口径空间反射镜轻量化设计研究
30文|陈利 左腾大口径空间反射镜轻量化设计研究摘要：本文对大口径空间反射镜的轻量化设计进行了研究，阐述了选取大口径空间反射镜应选取高强度/比刚度、良好的耐热冲击和热变形性、良好的空间稳定性的材料，同时要综合考虑材料本身的成本和加工工艺难度。
其次给出了当前较常见的三种大口径空间反射镜的轻量化结构形式，说明了三种结构形式各自的优点及设计时需综合考虑的因素。
关键词：大口径空间反射镜；反射镜材料；轻量化作为折转式光学系统特别是光谱仪或者空间相机等反射光学系统的核心元件，大口径空间反射镜的结构稳定性设计、布置与支撑对仪器整体性能有极大影响，与此同时当前光谱仪或者空间相机等仪器设备的性能对于视场、作用距离、分辨率、成像质量的要求也越来越高，反射镜的口径也随之越来越大，其自身质量也随之不断增加，这使得反射镜的轻量化与柔性支撑设计也越来越困难，同时光谱仪及空间相机等设备在使用时都要面临高低温循环变化、振动冲击等各类热力学和动力学环境的综合作用影响，在这些过程中反射镜由于自身材料及重量的限制可能会出现结构形变、屈服变形、疲劳破坏等现象，会严重影响仪器的使用和寿命。
此时就需要反射镜在保证自身大口径的同时确保具有较低的自身重量和足够的刚度、强度和环境热稳定性，因此大口径空间反射镜的轻量化设计就显得尤为重要。
一、大口径空间反射镜材料选取大口径空间反射镜材料的选取需符合以下要求：1、高比刚度与高强度高比刚度和高强度的材料能确保反射镜有较小的重力变形和足够的结构稳定性，以确保反射镜在空间工作时不会产生影响光学系统工作性能的重力形变超差或结构破损。
2、良好的热稳定性与空间环境稳定性空间反射镜在工作时会面临宽幅域的环境温度和剧烈变化的环境温度冲击，良好的热稳定性材料可以确保反射镜在环境温度变化时不会产生较大的热形变，从而确保反射面的面型和工况系数。
3、较好的机械可加工性与光学可加工性选取较好的机械可加工性和光学可加工性材料可以降低反射镜在加工时的工艺难度、缩短加工周期，从而降低加工成本，且成熟的加工工艺可以确保反射镜的工艺加工质量。
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宇 航 学 报
JOU RNAL O F A STRONAU T ICS
V o l. 22 N o. 6 N ov. 2001
大尺寸轻型 S iC 光学反射镜研究进展
韩杰才 张宇民 赫晓东
(哈尔滨工业大学复合材料研究所, 哈尔滨 150001)
摘 要: 本文比较了光学玻璃、硅、铍, 碳化硅等太空反射镜片材料的物理性能和机械性 能, 着重介绍了新型光学反射镜片材料碳化硅的种类、制造工艺和应用, 并讨论了碳化硅作为 太空反射镜片材料目前存在的问题及发展方向。
127
碳化硅粉末的烧结是十分困难的, 所需
温度也很高。普通烧结碳化硅都要加入
助烧的成分, 即能够提高界面或体积扩
散能, 或者产生一定量液相的成分, 以降
低烧结温度, 提高致密度。普通烧结碳化
硅工艺简单, 成本低, 但不易烧结, 不致
密, 直接抛光精度不高, 收缩较大。 典型
工艺流程如图 1 所示。
热 (等静) 压烧结碳化硅工艺将碳化
Gp a
热膨胀率 1000℃ K- 1×10- 6
表面粗糙度 埃 RM S
热变形系数 10- 8m W
小
大
大
大
小
小
小
1. 85
216
1880
303
11. 4 (室温)
< 10
5. 3
2. 3
150
920
110
3. 8
<5
2. 5
2. 2
1. 3
708
67
0. 03
<3
2. 3
2. 2
1. 4
1210
温度, 得到致密的、细晶粒的、均匀碳化硅组织, 可以进行纳米级以下粗糙度的抛光。 SSG 公司[13—18]为 NA SA Geo 2sta t iona ry Ea rth O b serva to ry (GEO ) 计划制造的反射镜
2 碳化硅材料与其它太空反射镜片材料的比较 太空反射镜片是空间飞行系统的重要组成部分, 镜片通常分为镜面和镜体两个部分, 镜
面的作用是保证某一波段电磁波的透过或反射, 镜体的作用是支持和定位镜面。镜面材料要 求热变形系数小 (热膨胀率小, 热导率高) , 比刚度大 (密度小, 弹性模量大) , 表面粗糙度小; 镜体材料要求密度小, 与镜面材料相匹配[4, 5 ]。
目前, 大型太空飞行器的光学系统多采用反射式设计, 太空镜片多为反射镜。 制造太空反射镜片的常用材料包括: 金属铍、石英、单 (多) 晶硅、碳化硅、金属镍、金属铝
收稿日期: 2000210224, 修回日期: 2001208224 作者简介: 韩杰才 (19662) , 男, 教授, 博士生导师, 复合材料专业, 研究方向为复合材料力学性能表征与评价、材料燃 烧合成技术、防热复合材料、梯度复合材料和反射镜片材料。
硅粉末在单向或等静压力下烧结, 比普
通烧结碳化硅致密, 性能得到提高, 收缩
小, 但结构不能太复杂, 仍然不很致密,
直接抛光精度不高。 工艺流程如图 2 所
示。
G. T. Pet rovsky 等[9]用 SiC 浇注、烧 结工艺制造了用于红外同温层观测镜的主镜。
图 1 普通烧结碳化硅工艺
D id ier Ca stel 等[10] 采用 SiC 烧结工艺制造 O S IR IS 窄角照相机, 包括三面反射镜和支撑结 构。
Key words: Silicon ca rb ide; O p tica l m irro r; Fab rica tion p rocess
1 引言 太空是每个国家都十分重视的领域, 轻质、高效是太空飞行器组成部分的基本要求, 另
一要求是能够适应各种条件, 如超低温、高辐射、超高温等极限条件。光学系统是太空飞行器 极重要的组成部分, 起到收集各种信息的作用。 太空反射镜片是大型太空望远镜、大型地面 望远镜、预警卫星、探测卫星、侦察卫星、气象卫星、高能激光、激光雷达系统、X 射线和真空 紫外线望远镜、高分辨率相机等系统的重要组成部分, 要求对某一波段电磁波的透过率或反 射率要高, 同时要求在大温差下变形要小, 尤其在低温下稳定性要好, 要保证在具体使用条 件下, 镜面形状和尺寸的稳定性[1]。
性能比较主要考虑以下几个方面: 机械性能、热 物理性能、光学性能和工艺性能。 表 1 是几种常用镜片材料的性能比较:
镜片材料
推荐值 铍 (0250) 多晶硅 U L E 光学玻璃
石英
CVD 碳化硅
表 1 常用镜片材料的性能 (室温, 除非特别说明)
密度 g cm 3
热导率 比热 弹形模量
Wm - 1K- 1 Jkg- 1K- 1
126
宇航学报
第 22 卷
镜片材料
CVD 碳化硅 反应烧结 SiC
热压 SiC 烧结 SiC
表 2 不同工艺碳化硅材料的性能 (室温, 除非特别说明)
密度
热导率
比热 弹形模量 热膨胀率 1000℃ 表面粗糙度
g cm 3 W m - 1K- 1 J kg- 1K- 1
Gp a
3. 21
300
640
70
0. 5
<3
35. 7
4. 0
3. 21
300
640
466
2. 2 (室温)
<3
1. 3
通过比较可以看出, 碳化硅的密度比铍、石英、单 (多) 晶硅的密度大, 但比镍、金等金属 材料小的多, 碳化硅属于轻质材料; 碳化硅的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼, 因此大面积 镜面不易变形, 致密碳化硅材料表面粗糙度可以控制得很小; 致密碳化硅材料具有最小的热 变形系数, 因此在较大温差条件下, 抗热震性极佳, 在较大的温度范围内使用, 表面不易变 形, 寿命长, 这一点对于太空条件下使用的材料尤其重要。
Canon 还提供了单晶 Si 镜 片, 表 面 分 别 涂 覆 1000 埃 P t 和 1000 埃 N i。 SiC 镜片的热物理性
图 2 热 (等静) 压烧结碳化硅工艺
能优于单晶 Si 镜片, 但单晶 Si 镜片有成本优势。
C. J. Sh ih 等[12] 采用一种铝基复合材料作为助烧剂, 真空条件下加压烧结, 降低了烧结
3 碳化硅材料分类和应用 制造工艺不同, 碳化硅的性能形态会产生很大的差异, 根据制造工艺碳化硅可分为普通
烧结碳化硅、热 (等静) 压烧结碳化硅 (H P 2SiC 或 H IP 2SiC)、反应烧结碳化硅 (RB 2SiC )、化学 气相沉积碳化硅 (CVD 2SiC) 等。CVD SiC 与其它工艺制备的 SiC 材料不同, 烧结或反应烧 结 SiC 通常包含添加剂而成为两相材料并低于理论密度, 例如反应烧结 SiC 包含 Si 和 SiC 两相, 因此强度不够、高温不耐氧化。 不同工艺碳化硅材料性能的比较结果见表 2。
目前有一些碳化硅镜片已经得到应用。 美 国国家航空和宇宙航行局 (NA SA ) 联合数家科研单位开发新一代空间望远镜 (N GST ) 的核心技术就是开发高性能、大尺寸太空反射镜片, 包括碳化硅镜片。 其红外望远 镜设备 ( IR T F ) 的二级反射镜采用碳化硅镜片。Hop k in s 紫外望远镜是由 John s Hop k in s U n iversity (美国) 开发的用于太空紫外线波段观测的望远镜, 是A stro 天文台三个主要望远 镜之一, 其第二代望远镜采用碳化硅涂层镜片, 提高了分辨率。 根据研究需要, 同步加速器可以辐射的电磁波段, 包括从远红外线到伽玛射线, 所采用 的反射镜片要能够承受几百到几千瓦的能量吸收, 因此多为重金属涂碳化硅, 如铑金属涂碳 化硅, 以水冷铜作支撑结构的碳化硅镜片。美国能源部B rookhaven 国家实验室 (厄普顿)、匹 兹堡大学、瑞典研究院、赫尔辛基大学、俄罗斯科学院D a resbu ry 实验室的同步加速器辐射 光源部分反射镜片采用碳化硅镜片, 如俄罗斯 Sta tion 112 的 1 号水平聚焦镜采用金属铂涂 覆碳化硅镜片。 美国弹道导弹防御系统 (NM D , TM D ) 研究开发项目中也包括碳化硅镜片的研制, 用于 远红外线探测。科罗拉多大学[6]研制用于大气层远红外探测的 H IRDL S 系统采用碳化硅扫 描镜片。 美国 U ltram et 公司开发了泡沫碳化硅镜片, X inetics 公司开发了反应烧结碳化硅 镜片。 法国O S IR IS 窄角照相机望远镜采用烧结碳化硅材料。日本空间远红外望远镜 ( IR T S) 采用碳化硅镜片[7]。 俄罗斯 S. I. V avilov 研究所研制了用于太空望远镜的碳化硅镜片[8]。
关键词: 碳化硅; 光学反射镜片; 制造工艺 中图分类号: TH 751+ 11 文献标识码: A 文章编号: 100021328 (2001) 0620124209
O PT ICAL LARGE SCAL E L IGHTW E IGHT S IC M IRRO RS
H an J ieca i Zhang Yum in H e X iaodong
466
3. 1
1202170
-
391
K- 1×10- 6 4. 0
2. 2 (室温) 4. 3
2. 5 (室温)
埃 RM S <3 > 20
3. 2
502120
-
451
4. 6
> 50
3. 1
152120
-Hale Waihona Puke 4084. 5> 100
热变形系数 10- 8m W
1. 3
3. 6 9. 2 30
可以看到, CVD SiC 的性能远优于其它工艺制备的 SiC 材料, 是最佳的镜面材料。当采 用 CVD SiC 镜面时, 除 CVD SiC 层本身性能外, 影响镜片性能的因素还包括镜体材料。 镜 体材料的性能与 CVD SiC 层的性能越接近越好, 例如热膨胀率、弹性模量等, 如果相差过 大, 将不能承受大的温度变化而产生变形, 进而影响镜片的正常工作。无疑, SiC 材料本身是 最佳的镜体材料。