聚酰亚胺薄膜反射镜的研究现状

　　0　引言

　　随着高科技的发展和航天航空与国防建设的需要,对光学反射镜的要求越来越高,重量轻、分辨率高是目前追求的重要技术指标。以美国和俄罗斯为主的一些科研单位提出了用镀铝聚酰亚胺薄膜制作反射镜的设想,这种反射镜比光学玻璃、铍等材料制成的传统反射镜具有更明显的优势:质量非常小,可制成大孔径系统,解决反射镜孔径和重量相互制约的问题;其柔韧性较好,可以折叠成很小的体积,满足运载火箭承载空间的要求;通过面形控制和调节光学系统各元件的间距,可以很容易实现变焦距或制成离轴系统;与其他材料反射镜制备过程相比,聚酰亚胺薄膜反射镜的加工制造成本较低,周期较短。本文将对聚酰亚胺薄膜反射镜的性能特点、制备方法、像差校正、研究现状和国内开展此研究的可行性等分别进行了讨论。

　　1　聚酰亚胺薄膜的制备

　　1.1　聚酰亚胺薄膜的材料特性

　　聚酰亚胺(PI)分为热固性和热塑性两种,工业上最常用的均苯型聚酰亚胺属于热塑性[1~3]。由于聚酰亚胺分子中具有十分稳定的芳香环结构,使其体现出其他高分子材料所无法比拟的优异性能:耐高温和低温性,由联苯二酐和对苯二胺合成的PI,热分解温度可达600℃,是迄今为止聚合物中热稳定性较高的品种之一。在这种温度下,短时间内基本上可以保持原有物理性能,可以在333℃以下长期使用,在-269℃下仍不会脆裂;机械强度高,均苯型PI薄膜的抗拉强度可以达到170MPa,而联苯型可以达到400MPa,且随温度的变化很小;耐辐射性好;介电性能优异;化学性质稳定,耐酸、碱;另外,PI抗蠕变能力强,摩擦性能优良,具有良好的韧性和柔软性。

　　美国NASA正在研制的新一代空间望远镜(JWST)[4]具有对红外成像的能力,为了保证望远镜在太空中不受太阳热辐射和宇宙射线的影响,使望远镜成像系统在50K以下的温度下工作,NASA为NGST做了一面巨型遮挡伞(如图1),薄膜材料初步选定聚酰亚胺,并模拟太空环境对聚酰亚胺的性能进行了测试。

　　实验环境:宇宙太阳风(包括高能电子、质子和重原子等)、紫外线辐射(其强度相当于航天器在10年内接受的强度)。实验过程中考虑了装卸、折叠和空间展开等对薄膜性能的影响。待测性能:机械性能(拉伸强度、抗撕裂强度、弯曲强度等)、耐热性能和耐紫外线、原子等宇宙辐射性能。

　　研究者已经证明[5~8],当温度在-187~+127℃之间变化时,聚酰亚胺的各项机械性能、耐辐射性能变化不大,完全可以满足制作遮阳伞的条件。

　　1.2　聚酰亚胺薄膜的制备

　　如前面所述,聚酰亚胺的机械性能、耐热性、耐辐射性等均满足制备反射镜的条件,决定聚酰亚胺薄膜能否制备出满足光学要求的反射镜的关键影响因素是薄膜的表面粗糙度(大约为中心波长的1/200~1/500rms)、厚度均匀性和材料均匀性[9]。目前主要的薄膜制造方法有压铸法、薄膜铸塑法、离心(旋转)铸造等。美国科学研究学会(SRS)研制了满足大型反射镜光学要求的CP2N型号的聚酰亚胺薄膜[10],美国空军研究实验室通过实验证明直径279.4mm、厚20μm的CP21薄膜的表面粗糙度为0.3λrms(λ=633nm),薄膜的厚度变动量为0.05λrms[11]。用此种薄膜制成的反射镜,附以像差校正机构,可以制备出满足光学成像要求的光学系统。CP21薄膜的面密度大约为18g/m2,如果利用超轻可折叠展开机构支撑(其面密度大约为1~2kg/m2),则用此薄膜制成的孔径为10m的反射镜主镜的面密度大约为2~3kg/m2,与用传统材料制成的反射镜相比,如哈勃望远镜(主要由精密绗架结构和厚的玻璃主镜组成,孔径2.4m,总重量12000kg,面密度2500kg/m2),其优势非常明显。