空间RB-SiC反射镜的表面离子辅助镀硅改性技术

　　1　引　言

　　人类社会和科学技术的高速发展推动了空间光学系统向大口径、高度轻量化、离轴化、多谱段等方向发展,也对相机的核心部件-反射镜的材料性能及加工工艺提出了极高要求。要求反射镜的材料能够制作大口径、复杂形状的镜坯,具有高的比刚度,较强的环境稳定性及良好的加工性能;同时,反射镜工作表面的表面质量和面形精度也要高。这种情况下,新型光学材料RB-SiC以其优越的性能和较为成熟的制备工艺而成为目前国内外研制空间遥感器的首选材料。但是RB-SiC材料中的Si杂质使得其抛光表面的表面粗糙度较大,反射率难以得到提高,不能满足高质量光学系统尤其是紫外、极紫外等短波光学系统的要求。为了获得<1 nm RMS的超光滑表面和高反射性能,需要对RB-SiC反射镜表面进行改性。

　　目前国际常用的改性材料有CVD-SiC、EBPVD-SiC、IBS-SiC、CVD-Si、EBPVD-Si等[1-4]。本文采用了改性层沉积新技术—离子辅助(IAD)沉积Si,重点对IAD-Si改性层的性能及改性层超光滑表面加工工艺进行了研究。

　　2　RB-SiC的材料特性

　　RB-SiC是20世纪70年代发展起来的新型光学材料。从表1可以看出,RB-SiC具有较低的热膨胀系数、较高的导热系数,比刚度仅次于铍而优于其它传统光学材料。此外,它还具有极高的化学稳定性和辐射稳定性[5-6]。不仅如此,反应烧结技术能够较方便地制作大尺寸(1 000 mm以上口径)、形状复杂的轻量化RB-SiC反射镜净坯,轻量化程度高达70%以上,从而在提高了系统性能的同时有效地降低了制造和发射成本。所以,与传统光学材料相比,RB-SiC在空间用反射镜制造领域中具有明显优势。

　　但是RB-SiC坯体在烧结过程中由于不充分反应致使坯体材料中残留有部分硅晶体,含量一般为10%~30%[5-8]。其中,硅的硬度较低而去除速率较快, RB-SiC抛光表面的杂质硅被优先去除形成了许多深度<100 nm的表面缺陷,导致了较低的光学表面反射率。

　　3　RB-SiC表面改性流程

　　RB-SiC反射镜的改性工艺包括改性层的沉积工艺和改性层加工工艺。图1是从加工工艺角度总结的RB-SiC反射镜改性工艺流程图。首先,改性前的RB-SiC镜坯应该经过粗磨成型、细磨、抛光达到一定的面形精度及表面质量。原因是基体的表面状态对改性材料的原子集团在基体表面的附着、凝聚、成核和生长过程有很大的影响,而基底的面形精度直接影响着改性层的加工去除量。然后,在基底的抛光表面镀一层较厚的改性膜,本文选用离子辅助沉积Si。由于在沉积过程中膜层几乎是等厚生长,工件表面的原有缺陷必然仍有体现,因此必须对改性层进行加工,以优化反射镜表面粗糙度厚度并进一步修整面形直到满足加工要求。一般来说,膜层厚度只有十几个微米左右,在加工阶段不需要对膜层进行研磨。为了提高抛光效率可以将改性层的抛光分为粗抛光和精抛光两个阶段。