真空反应烧结大尺寸碳化硅反射镜

        1 引 言

　　碳化硅陶瓷作为空间用大尺寸轻型反射镜的候选材料之一， 与传统的玻璃和金属等材料相比， 具有非常优异的综合优势， 比刚度高、 热膨胀系数小、导热性能良好、可得到较好的光学加工表面;而且无毒、 抗震、 耐腐蚀， 制备过程不需特殊设备。 因此，国外的空间光学探测仪器均将SiC 陶瓷作为反射镜镜体的首选材料[1-3]。随着空间技术的发展， 为了提高空间探测器的分辨率，同时实现更高的成像质量， 必须采用较大孔径的光学系统， 质量也随之递增。因此， 大口径、 质量轻的碳化硅反射镜成为了研究重点。 我国的空间探测仪器也正步入世界先进行列。

　　目前， 用于空间轻型反射镜基体材料的 SiC 陶瓷， 主要有热压烧结 SiC (HP-SiC)、 反应烧结 SiC(RB-SiC)、 无压烧结 SiC (Sintering SiC， SSiC) 和化学气相沉积SiC (CVD-SiC) 四种。 利用高温真空烧结炉对碳化硅素坯进行反应烧结(RB-SiC)， 制造得到的碳化硅 (SiC) 镜体收缩量小， 不易崩边、 开裂和变形; 所获得的烧结体具有完整的几何形状， 均匀的内部组织以及良好的力学性能和光学加工特性。

　　因此， 本文以反应烧结 (RB-SiC) 技术制备空间用大尺寸轻型SiC 反射镜镜坯为研究对象 ， 提出了一套高温真空烧结炉对大尺寸碳化硅轻型反射镜素坯进行反应烧结(RB-SiC) 的工艺方法。

　　2 反应烧结机理

　　国外的许多研究者都曾对反应烧结碳化硅 (RB-SiC) 的机理进行了大量的研究 。 20 世纪 50 年代 ，Popper 发明了反应烧结碳化硅[4]， 其基本原理是： 具有反应活性的液体硅及硅合金在毛细管力的作用下渗入含碳的多孔陶瓷素坯， 并与其中的碳反应生成碳化硅，新生成的碳化硅原位结合素坯中原有的碳化硅颗粒，寖渗剂填充素坯中的剩余气孔，完成陶　　瓷致密化过程。 Minnear等人认为烧结过程受扩散控制[5]， Hase等人认为反应烧结过程受碳化硅之间界面反应的限制[6]， 而 Ness 和 Hage 则认为该过程为熔解再沉淀型[7]。 我们通过大量的实验数据和理论分析 ，认为反应烧结碳化硅 (RB-SiC) 的过程为溶解与扩散并存较为合理。 当体系温度上升到 Si 的熔点 1420℃时，即可出现熔融Si， 与素坯表面的碳接触， 发生化学反应生成SiC， 在炉内真空压力的作用下， 液态 Si就会在毛细管的吸附下渗入素坯中; 碳 (C) 开始溶解于液态Si， 同时发生化学反应生成熔融的碳化硅(β-SiC)，直接附着在毛细管的断面及周围。 随着炉体温度的不断升高， 借助真空压力的作用， 液态 Si将继续通过熔融的SiC 层析出， 进入下一层， 继而溶解C 又产生新的一层碳化硅 (β-SiC)， 上一层构成熔融体， 以此进行下去， 直到液态 Si 渗入素坯整体， 乃至剩余的空隙。 当体系降温时， 坯体中熔融的碳化硅 (β-SiC) 就会原位结合素坯中原有的碳化硅(α-SiC)颗粒及填充坯体中剩余空隙的硅 (Si)一同析出， 得到一个近乎完全致密的碳化硅反射镜镜体。