大尺寸轻型碳化硅质镜体的制造与材料性能测试

　　1　引　言

　　为了提高空间遥感相机等大型光学遥感系统的分辨率,通常采用长焦距和大相对孔径的全反式或折反式光学系统,因此光学零件的口径越来越大,质量也越来越大,同时也带来了整个系统质量的增加。随着系统质量的增加,复杂程度和发射成本也随之增加。折反式或者全反式光学系统中最重要的光学零件是主反射镜,因此减小主反射镜的质量成为大型光学遥感系统设计和制造的关键[1]。

　　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、可得到较好的抛光表面,而且无毒、不需特殊设备。因此国内外所研究的大型空间光学遥感仪器均将SiC陶瓷作为反射镜镜体的首选材料[224]。

　　2　空间用碳化硅陶瓷的物理性能及其制备方法

　　表1是碳化硅与其他空间用反射镜候选材料的物理性能比较。从表中可以看出,碳化硅的比刚度和导热率比玻璃材料好,接近铍,但其热膨胀系数远远小于铍,而且它的光学加工性能也非常优异,能够满足反射镜的要求。作为反射镜材料的碳化硅陶瓷不是普通的碳化硅,而是光学级的碳化硅陶瓷,它的内部结构必须各向同性,不存在热性能或者机械性能的不均匀性,而且还能够加工出所需的光学表面。

　　SiC陶瓷因制备工艺的不同可分为若干种,常用于反射镜的有热压烧结SiC(HP2SiC)、反应烧结SiC(RB2SiC)、常压烧结SiC(Sintered SiC,SSiC)和化学汽相沉积SiC(CVD2SiC)。HP2SiC和CVD2SiC不易制备复杂形状的反射镜镜体;SSiC的制备工艺复杂,烧结收缩率大,一般达到了10%~15%,且所需设备十分昂贵;而反应烧结工艺能够制备大尺寸、复杂形状的SiC陶瓷制品,制备温度低、烧结时间短、制作成本低、所得SiC烧结体结构几乎完全致密,能够满足反射镜所需的机械性能、热性能和光学性能等各方面的要求。本研究制备的反射镜镜坯采用的是RB2SiC陶瓷制备工艺。

　　3　大尺寸轻型碳化硅质镜体的结构设计

　　随着空间遥感相机分辨率的不断提高,其光学元件,特别是主反射镜的口径也越来越大,因此非常有必要将镜体设计制作成轻型结构。目前通常使用的轻型结构有:底面开口结构、对称夹心结构(底面局部开口结构)和泡沫夹心结构,如图1所示[5]。由于泡沫夹心结构的力学性能不够理想,因此实际应用中以底面开口结构和对称夹心结构居多,而对称夹心结构的各方面性能都优于底面开口结构。由于注模阶段模具的固定以及脱模工艺的需要,本研究将700 mm×300 mm的长条状镜体设计制作成底面局部开口结构。