RB-SiC基底反射镜表面改性工艺的改进

　　1　引　言

　　随着航天事业的飞速发展,人们对空间光学系统性能要求越来越高,使之不可避免地向着大口径方向发展,从而大口径光学反射系统的轻量化和光学性能成为必须解决的两个焦点问题。为此,空间光学系统多采用轻量化效果最好的全反射系统,同时亦选择密度较低、适宜轻量化加工的材料[1]。SiC材料由于具有优异的物理特性,且很适合于轻量化处理,目前已经成为大口径空间反射镜基底的优选材料[2-6]。但是,由于直接抛光的SiC基底表面光学质量不高,为此,还必须对SiC基底进行表面改性,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,以获得较高质量的光学表面[7-8]。

　　SiC基底材料的制备方法很多,目前国内工程上常用的为反应烧结法制备的SiC基底(RB-SiC)和常压烧结法制备的SiC基底(S-SiC)。研究和实践表明,相同工艺条件下,用离子辅助制备Si改性涂层的方法进行改性,S-SiC基底表面改性的效果明显好于RB-SiC基底[9],改性后S-SiC基底表面质量已接近抛光良好的微晶玻璃,而RB-SiC基底则仍有一定差距。但是相比而言,RB-SiC制备成本更低,能够做到近净尺寸成型,制备工艺的优势使其更适于制备复杂轻量化结构的大口径反射镜基底[10-11]。因此,为满足高质量大口径空间光学系统应用需求,针对RB-SiC基底本身的特性,设法找到一种更佳的改性方法,以进一步提高RB-SiC基底表面改性的性能是势在必行的。

　　2　改性效果分析

　　基于霍尔离子源辅助,用制备Si改性涂层的方法进行表面改性,相同工艺条件下,S-SiC和RB-SiC两种基底的改性效果并不同。相关基底改性后表面反射率测试曲线如图1所示(各样品表面镀制相同的Ag反射膜系)。从图中数据可以明显地看出,S-SiC基底的反射率要高于RB-SiC基底,已经非常接近于抛光良好的微晶玻璃基底表面的情况,而RB-SiC基底则要稍差一些。改性后两种基底表面原子力显微镜粗糙度(rms)测试结果分别为0.640 nm(S-SiC)和0.749 nm(RB-SiC)[9]。以上测试结果说明采用此工艺方法,S-SiC基底的改性效果要好于RB-SiC基底。

　　两种基底出现不同改性效果的原因源于其制备工艺方法的差异导致两种材料性质不同。S-SiC制备工艺是把纯度较高的SiC粉和联结剂、助烧剂等均匀混合,在冷等净压下成型素坯,利用数控加工技术将素坯加工成所需要的形状,最终在2 000℃左右的高温下烧结而成,其主要成份是SiC。而RB-SiC的制备工艺是在陶瓷先驱体中反应活性的碳与熔融硅反应生成新的碳化硅,新的碳化硅原位结合先驱体中原有的碳化硅颗粒,多余的硅填充气孔,最终形成100%致密的碳化硅坯体。反应烧结碳化硅通常含有10%~30%的游离硅[10]。图2所示为直接抛光后的两种基底表面的500倍光学显微镜照片,图2(a)中浅色部分为SiC,深色部分为孔洞,S-SiC材料成份单一。图2(b)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,RB-SiC材料中包含了SiC和Si两相成份。