大口径碳化硅轻质反射镜镜坯制造技术的研究进展

　　1　引　言

　　为了提高空间望远镜、遥感侦察相机等大型光学遥感系统的分辨率,通常采用长焦距和大相对孔径的全反式或折反式光学系统。因此光学零件的直径越来越大,同时也增加了整个系统重量。随着系统量量的增加,复杂程度和发射成本也随之增加。折反式或全反式光学系统的主要光学零件是反射镜,因此减小主反射镜的重量成为大型光学遥感系统设计和制造的关键[1~3]。

　　目前大型光学遥感系统中使用的镜体材料主要有ULE,Zerodur,铍(Be)和碳化硅(SiC),其物理性质如表1所示。

　　(1) ULE。ULE即超低膨胀系数石英玻璃,是美国Corning公司研制开发的一种掺入7.5%TiO2的改性石英玻璃,它由SiCl4和TiCl4混合气体通过火焰水解技术生产而成。该石英玻璃密度小,可抛光性强,能通过焊接技术实现轻量化,是较理想的镜体材料,哈勃空间望远镜主反射镜就是ULE玻璃通过焊接技术制作而成的。但与普通优质石英玻璃相比,ULE中存在的化学组成不均匀会使其线膨胀系数呈微区分布不均。

　　(2) Zerodur。Zerodur是德国Schott公司生产的膨胀系数近似为零的微晶玻璃。它通过对LiO2-Al2O3-SiO2系统玻璃进行热处理,使其析出大量地具有负膨胀系数的微小晶相颗粒,从而使微晶玻璃整体膨胀系数达到或近似为零。用Zerodur玻璃制作轻型反射镜大多采用机械研磨法。上海新沪玻璃厂也生产出了具有相同性质的微晶玻璃。

　　(3) Be[4,5]。铍是一种金属材料,作为反射镜材料,其各项性能极佳,但最大的缺点就是其氧化物有剧烈的毒性。在制造和加工过程中,为了防止毒性给人带来的影响,需要采取一系列的防护措施,这无疑增加了制造成本。另外,铍的机械加工性能比较差,尽管nns(near net shape)HIP工艺和铍合金的出现大大降低了制造成本,但效果仍不十分理想,而且用铍作为反射镜的镜体材料,需在基面上镀镍磷合金作为抛光基面。

　　(4) SiC[6,7]。与玻璃材料和金属铍相比,碳化硅材料具有明显的综合优势,密度低、比刚度高、热膨胀系数小、导热性能良好、可得到极好的抛光表面,而且无毒、不需要特殊的设备,如图1所示。与其它材料相比,SiC是一种非常理想的空间遥感相机反射镜基体材料。

　　2　碳化硅质反射镜制备技术

　　碳化硅材料因制备工艺的不同可分为若干种,常用于反射镜镜坯的有热压烧结SiC(HP-SiC)、反应烧结SiC(RB-SiC),Sintered SiC(SSiC)和化学汽相沉积SiC(CVD-SiC)。以上几种SiC的物理性能见表2。

　　(1)热压烧结碳化硅(HP-SiC)。热压烧结SiC就是把微米级的碳化硅粉和助烧剂及阻止晶粒过分长大的添加剂混合,在一定的温度、压力和时间下进行烧结成型。这种方法是制备高密度、性能优异的SiC材料最有效的途径之一。热压烧结碳化硅镜坯具有致密程度好、抗弯强度高、材质均匀和加工性能良好等优点。它主要的局限性在于不能制成复杂形状的镜坯,因此限制了热压烧结SiC在轻型反射镜方面的应用。