两种常用碳化硅反射镜基底表面改性的研究

　　0　引　言

　　随着人们对高性能的空间光学系统要求日益迫切,使其不可避免地向着大口径方向发展,SiC材料由于其优异的性能已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[1—5]。目前,SiC反射镜坯体的制备方法很多,其中反应烧结法(ReactionBonded)和常压烧结法(Sintered)是国内常用和较为成熟的制备方法。由于高温烧结常常会在坯体内形成大量的气孔分布,以及制备工艺中存在的其它弊端,不可避免地在制备出的SiC坯体中形成杂质和缺陷,使SiC反射镜坯体直接抛光后表面粗糙度仍然很大,散射大,很难得到较高质量的光学表面。精细抛光后的SiC基底表面反射率仍然很低,严重影响了SiC反射镜的光学性能,无法满足高质量空间光学系统需求。但如果在光学表面制备一层致密化改性涂层,覆盖住缺陷和气孔并达到抛光厚度要求,然后再对涂层表面进行光学精抛光,即可降大大低表面粗糙度,获得高质量的光学表面,这就是所谓的SiC基底反射镜表面改性。SiC反射镜表面反射率的高低直接影响整个光学系统性能高低,而反射率的高低不在于表面的面形控制而是在于表面的粗糙度的控制[6]。因此,SiC反射镜基体表面改性是保障其正常应用必不可少的重要环节,该研究已成为各国光学领城研究者感兴趣的课题之一。表面改性涂层技术的关键:一是要求坯体与涂层之间连接牢固和它们热膨胀系数的匹配,以确保空间应用的要求;二是要求涂层材料具有良好的抛光特性,以利于对其进行光学精密抛光而获得较高质量的光学表面。

　　1　SiC基底特性分析

　　1.1　SiC基底表面情况

　　对于RB-SiC材料,由于制备工艺的特点,在其坯体中含有两相成份,除SiC外还存在约30%的游离Si。图1(a)为直接抛光后的RB-SiC基底表面500倍光学显微镜照片,图中深色部分为SiC材料,浅色部分为反应过程中渗入到SiC材料中的单质Si,黑色部分为C元素及少量的孔洞。由于SiC和Si两相成份去除速率不同,抛光过程中很容易在二者的分界处形成台阶,使基底表面凸凹不平,造成表面缺陷。这种抛光特性的不同,在抛光工艺中会对粗糙度产生负面影响,很难通过直接抛光得到较高质量的光学表面[7—10]。而对于S-SiC材料,在其制备工艺条件下坯体材料不够致密,存在大量的细微孔洞[1]。图1(b)为直接抛光后的S-SiC基底表面500倍光学显微镜照片,图中浅色部分为SiC,深色部分为孔洞。由图可见,虽然S-SiC材料成份单一,有利于抛光,不会产生台阶效应,但由于其烧结过程中产生大量的气孔,且气孔率明显要高于RB-SiC材料,这必然会带来较强的散射效应,而这种缺陷也无法通过直接抛光而消除掉,同样无法获得较高质量的光学表面。