RB-SiC反射镜的材料制备、表面改性及非球面加工

　　1　引　言

　　随着空间光学有效载荷轻小型的深化和高分辨成像性能的不断提高,光学系统中主要光学元件的口径不断增大,从而使空间光学有效载荷轻小型化和高分辨成像性能之间的矛盾加剧。为此,对大口径空间光学有效载荷的主反射镜轻量化技术的研究更加活跃而宽泛。

　　目前,空间光学系统多采用轻量化效果最好的全反射式系统,同时多选择密度低、适宜轻量化加工的材料。与其它常用反射镜材料相比,SiC具有较小的密度和较高的弹性模量,即其比刚度较高,可在实现同等机械性能的情况下最大限度地进行轻量化;另外,SiC材料还具有较低的热膨胀系数和较高的导热系数,即其热稳定系数较高,故可降低对热控系统的要求,减少热控系统的质量和功耗;该材料同时还具有良好的光学加工特性,可做到净尺寸成型;当然,它还具有抗辐照性能佳、无毒等众多优点。目前,SiC材料凭借其在物理特性、热特性、机械特性等方面的综合优势,已经替代玻璃和金属成为新一代空间反射镜坯体优选材料[1-3]。

　　本文从工程实际出发,着眼于解决目前碳化硅反射镜应用中出现的问题,尝试并探索了新型RB-SiC反射镜非球面加工的一种新的技术方法,并进行了相关的试验验证。试验数据表明,该方法有效保证了RB-SiC改性膜层的加工安全性,避免了后续加工的风险,并通过适当调整反射镜非球面加工的工艺顺序,使RB-SiC反射镜制备及非球面加工周期缩短了1~2月,这对研制任务周期要求极为严格的航天领域来说,意义重大。

　　2　RB-SiC属性及现状

　　目前,空间用SiC反射镜镜坯的制备工艺主要有反应烧结SiC(RB-SiC)、热压烧结SiC (HP-SiC)、常压烧SiC(SSiC)和化学气相沉积SiC(CVD-SiC)4种。

　　热压烧结SiC无法制成复杂形状镜坯,其在轻量化反射镜方面的应用有限;常压烧结SiC制作工艺复杂,材料收缩率达10%~20%,其应用也极为有限;化学气相沉积SiC同样由于制备速度缓慢,无法用于制备复杂轻量化结构的镜坯,其一般应用在Si镜体的表面改性上。反应烧结碳化硅可通过浇注成型的方法,制备出致密、形状复杂的SiC镜坯,其结构收缩率仅为1%~2%,是一种净尺寸成型工艺,极大地减少了后续机械加工的成本及加工周期,具有成本低、制备周期短的优点,是目前制备大口径复杂轻量化镜坯的优选材料,表1所示为RB-SiC材料与空间常用反射镜材料物理属性。

　　20世纪70年代末,美国、德国、俄国、日本、法国等先进国家都把SiC反射镜列为国家重点发展技术,在其制备工艺和加工技术方面进行了大量研究,积累了丰富的经验,并竞相将该技术应用到了航空航天领域,特别是近10年来,JWST望远镜、0.5mGEO望远镜、HIRDLS、SOFIA、AL-ADN、Herschel、ASTRO-F天文望远镜、SPICA红外天文望远镜等美国、欧洲、日本空间项目大量地采用了SiC反射镜技术。