空间用SiC反射镜表面改性的性能和可靠性评估

　　0　引言

　　现代空间光学系统中对大口径的要求越来越迫切[1],而大口径光学成像系统的轻量化和成像质量成为两个急需解决的焦点问题.同时还要求光学系统能够经受空间强辐射、冷热冲击导致的剧烈应力变化.SiC材料具有较低的密度、较高的弹性模量和比刚度、较低的热变形系数、优越的耐腐蚀性能以及良好的导热性能.SiC材料的上述特点非常适于空间光学反射镜体系,使它在众多备选材料中脱颖而出,成为制备大口径空间光学成像系统反射镜坯体的首选材料[2-6].SiC材料制备的反射镜易于实现轻量化设计,但由于其制备工艺目前还不完善,使制备出的SiC基底材料表面和坯体中不可避免的存在一些杂质和孔洞等缺陷,这导致直接抛光的SiC基底表面粗糙度仍然很高,对入射光还有较大的散射和吸收,严重影响了基底表面的光学性能,无法满足空间高分辨率光学成像系统的应用要求[7-9].因此,设法提高SiC基底反射镜表面的光学性能是其空间应用的必要前提.

　　为提高SiC基底表面光学性能,必须对其进行表面改性,即在SiC基底表面镀制一层结合牢固且抛光性能良好的相当厚度的致密涂层,覆盖住基底表面缺陷,然后再对致密涂层进行光学精密抛光,便可以获得较高质量的光学表面[8].目前国内比较成熟的改性方法是在SiC基底上镀制Si膜进行改性.经过表面改性可以大大提高SiC基底表面光学质量,但改性后其表面光学质量如何,能否满足空间光学系统的应用要求,以及改性后SiC基底空间环境应用的可靠性如何,还必须运用合理有效的检测、分析方法对改性后相关性能进行测试和评估.

　　本文应用等离子辅助制备硅改性涂层的方法,对空间用SiC基底进行了表面改性;建立了系统有效的改性性能测试方法,为加工过程和实际应用提供重要参考依据;并提出了相关空间应用的可靠性评估方法,为项目实际工程应用提供保障.

　　1　改性膜层的制备

　　实验中采用等离子束辅助电子束蒸发方法制备Si改性涂层.其优点是通过等离子体的轰击,可以大幅提高成膜粒子的表面迁移率,提高沉积密度和薄膜均匀性,从而制备出较高质量的改性膜层.试验样品选用Φ35 mm大小的反应烧结碳化硅(RB-SiC)基底,为保证所要镀制膜层与基底结合牢固,尽量减少由于表面杂质造成的改性涂层中的缺陷,试验前首先要对基底进行必要预处理,即依次用去离子水、无水乙醇和石油醚各超声波清洗15 min,去除掉基底表面的杂质(如抛光时残留的抛光粉和油性污渍等).实验设备为ZZSX800型箱式真空镀膜机,辅助离子源采用输出口径8 cm端部霍尔型离子源(End-Hall source),膜厚、速率监控选用IC-5石英晶控仪.真空室的真空度预抽至Pa开始试验;试验时还要先用离子源轰击基底30 min,对基底进行离子清洗;离子源工作气体选用氩气,气流量控制在20 sccm,阳极电压180 V,阳极电流4 A;蒸发膜料选用99.995%的硅,蒸发速率保持恒定.利用此方法在SiC基底上制备出了10μm厚度的Si改性膜层.