轻质碳化硅平面反射镜超光滑表面加工

　　引 言

　　随着空间应用技术、激光技术和能源开发技术的迅猛发展，对耐热高强结构材料的需要越趋迫切。如：航天器的喷嘴、空间遥感器上的光学系统、航天相机以及在高频、大功率、耐高温、抗辐照条件下的半导体器件及紫外探测器等。非氧化物系新型材料碳化硅(silicon carbide(SiC))具有较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数和耐热冲击性、高的比刚度、高度的尺寸稳定性及热性能与机械性能的各向同性等一系列优良的物理化学性能，使世界各航天大国的研究者均将其列为空间光学遥感器优选的反射镜材料[1,2]。

　　我国在 SiC 材料的研究方面基本上与国际同步，由于 SiC 的莫氏硬度高(莫氏硬度为 9.25, 接近金刚石硬度)[3]，其光学加工难度大，特别是在 SiC 超光滑表面(表面粗糙度 RMS<1nm)加工工艺技术上还有待进行大量的研究。我们运用 H016 型四轴透镜抛光机，通过自由研磨、古典法粗抛光和浴法超光滑抛光相结合的方式，在对角线为 110mm 六边形反应烧结轻质碳化硅平面反射镜上进行超光滑表面光学加工，使SiC表面面形误差均方根值(RMS)达 0.011 波长( =632.8 nm),表面粗糙度 RMS=0.75nm 的精度。

　　1 SiC 超光滑表面光学加工工艺

　　SiC 的光学加工流程和一般光学零件的加工工序大致相同，其工艺流程为：毛坯的烧结成型 粗磨磨平 精细研磨 粗抛光 超光滑抛光检测。以下分别对各个加工流程进行介绍。

　　1.1 烧结成型

　　为了满足航天仪器轻量化要求，直接将SiC 毛坯烧结成图1 所示的结构。烧结材料致密性的好坏通过对工件进行光学加工，所能达到的表面粗糙度、表面面形精度和表面质量来加以验证。

　　1.2 粗磨磨平

　　粗磨磨平采用的是对研方法，即用两块相同反应烧结的SiC 进行对研，对研时分别加入不同粒径的散粒SiC 磨料依次进行研磨，加工过程中用刀刃平尺检验整个工件表面的磨削情况，刀刃平尺与工件磨削面之间应无光线漏过。

　　1.3 精细研磨

　　此道工序的目的是为了进一步提高工件粗磨面形精度，降低表面粗糙度，有效地去除粗磨给工件表面所留下的凹凸层和下表面破坏层。采用更细的散粒SiC 磨料，在铸铁磨盘上进行精细研磨。因铸铁盘的硬度(莫氏硬度为 7.5-8)比 SiC 的硬度小，所以在精细研磨过程中用刀刃平尺随时对铸铁盘表面的磨削情况加以检测，发现铸铁盘变凹、变凸应及时进行修正。一般通过修改铸铁盘表面面形、调整工件磨削位置和机头的摆幅大小来控制工件表面面形;也可将工件表面大致粗抛光，待表面略有光泽时用自准直干涉仪检验工件表面的面形情况，根据检测结果返回到铸铁盘上进行修正。为了给抛光工序提供更好的工件表面质量，在细散粒 SiC 磨料进行精细研磨过程中，注意控制水和磨料的浓度，特别是加入最后一次磨料时，应待磨料充分磨细后才将工件取下，从而使精细研磨后的工件表面无划痕、表面细腻无麻点。