碳化硅空间用反射镜坯体残余应力的研究

　　0　引言

　　在太空环境下,空间用反射镜镜面形状和尺寸必须保持很好的稳定性,这就要求制备空间用反射镜过程中,反射镜坯体应该始终保持较小的内应力,以保证后续加工的精度.反应烧结探化硅材料具有低密度、低热膨胀系数、高热导率、高比刚度以及低成本已经成为空间用反射镜片的重点候选材料[1].哈尔滨工业大学复合材料研究所采用反应烧结工艺制备了大尺寸碳化硅反射镜坯体,为了保证经过后续加工后,反射镜表面能够获得优异的面形精度,保证反射镜坯体具有良好的性能和质量,测量坯体表面的残余应力具有重要意义.

　　残余应力的测量方法主要有电阻应变片法、机械引申仪法、小孔松弛法、超声波法和X射线衍射法等.其中X射线衍射法测量残余应力作为一种无损检测方法,经过多年广泛的研究与应用之后已经成为比较成熟的测量方法.由于常规X射线残余应力测定方法所测应力是表面二维残余应力,本文采用有限元方法,计算了在反应烧结工艺条件下碳化硅反射镜坯体的残余应力,与测量结果相互验证,从而得出可靠的反射镜坯体整体残余应力的分布情况.

　　1　试验材料及方法

　　采用反应烧结工艺制备了碳化硅反射镜坯体.工艺方案为,采用预先制备好的碳化硅粉末、碳粉和硅粉混合预制坯放入真空烧结炉中加温到1450℃,保温后冷却.预制坯中的硅粉与碳粉发生反应生成碳化硅同时把预制坯中的碳化硅粉末粘合起来,生成致密的碳化硅反射镜坯体.坯体材料为硅/碳化硅两相组织,图1显示了坯体材料的金相组织照片,其中白色为残余硅,灰色为碳化硅.工艺温度曲线如图2所示.反射镜结构示意图如图3所示,坯体直径为600mm,厚90mm,正面为圆形平面,背面是三角形蜂窝状加强筋结构.坯体测量状态为在室温,未经过任何表面加工,采用X-350A型X射线应力测定仪,测定碳化硅反射镜坯体的残余应力.测量点和测量应力方向如图4所示,所有测量点都在反射镜坯体镜面表面,测量应力方向为x轴正向,其中第8点测量了x和y两个方向的表面残余应力.

　　2　结果与讨论

　　采用sin2Ψ法测量反射镜的表面应力.其原理如图5所示,在确定的坐标系中,空间任意方向的应力σΨφ为σx,σy和σz三个方向应力的矢量和.由于测试的是表面应力,因此为σz=0,则σΨφ=σφ,σφ可由公式1求出[2].

　　其中,Ψ为X射线入射角,2θ为服从于布拉格方程的衍射角.K被称为应力常数,材料的应力常数可从资料直接查出.通过采用四个以上的不同入射角Ψ,分别测定对应的衍射角2θ,在2θ与sin2Ψ之间进行线性拟合,采用最小二乘法求得直线的斜率,根据应力常数计算出应力值.测量参数列于表1,测量结果列于表2.