SIC反射镜制备

? The choice of material on mirror（1）
目前反射镜的材料已发展到第三代。第一代反射镜材料是玻 璃，如Zerodur、Quarts、ULE(Ultra-Low Expansion) 玻璃等，最 有代表性的是 Zerodur。Zerodur是德国Schott公司微晶玻璃的牌号， 它用于光学、光电和精密工程，其膨胀系数近似为零。它是一种 高均匀性的材料，即使是直径数米的材料中的不同地方其热性能 和机械性能几乎没有偏差。既能做重达几吨的块料，又可做很小 的元器件。玻璃的密度适中，可抛光性强，可制成很好的镜面材 料。但微晶玻璃比刚度低，容易变形，要使玻璃成像质量稳定， 反射镜的直径和厚度需要满足一定的比值，因此玻璃反射镜重量 比较大。此外，由于玻璃导热性能和抗热震性能差，难以强制水 冷，所以不适宜制作大型空间反射镜。
? 法国制备的直径为 352mm 的轻型碳化硅反射镜重量仅为 1.7kg。 俄罗斯为美国制备的直径为 630mm 轻型碳化硅主镜仅为 13.5kg。 德国Donier公司(Donier Satellite Systems DSS) 采用LSI方法制备 的C/SiC复合材料反射镜作为空间望远镜主镜，直径 630mm，重 量仅为4kg。
空间用SiC反射镜发展现状
中科院长春光机所 2007级博士：王永宪
导师：任建岳
? Introduce（1）
随着前苏联第一颗人造卫星的成功发射，人类正是进入航天 时代。世界各国不断投入大量的人力、物力和财力进行航天探索。 空间飞行器的主要任务是收集信息，而空间光学系统作为空间飞 行器的“眼睛”具有极其重要的作用。空间光学系统具有不受地 域限制、侦查区域广、可进行连续动态探测等优点。因而对于空 间光学系统展开研究具有重要意义。目前空间光学系统通常采用 反射式机构，由此可见反射镜的地位和重要性。反射镜主要用于 大型宇航望远镜、预警卫星、探测卫星、侦查卫星、气象卫星、 高能激光发射器、激光雷达系统、 X射线和真空紫外线望远镜、 空间用红外望远镜和高分辨率相机等。
? NASA Langley 研究中心研制成功的 SiC反射镜，镜面直径 10.16cm(4in) 、厚1.27cm(0.5in)、表面粗糙度 2.5埃RMS，总重 81.9g，平均面密度 0.99g/cm。
? 美国SSG公司研制了一系列碳化硅轻型反射镜，直径 90mm 重量 小于30g；直径230mm 的网络结构反射镜重量小于 400g，直径为 600mm的碳化硅主镜重量小于 5.5kg。
SiC反射镜应用实例：
? 从上个世纪 80年代初开始，美国、俄罗斯、德国、法国等国家 就开始针对应用于光学系统变化大的领域 (如高能激光器反射镜和 空间低温反射镜 )进行SiC基反射镜的研究， 90年代制得SiC反射镜， 现已在SiC镜坯制作、研磨和抛光方面取得了较大进展。比较著名 的有美国的 UTOS(United Technologies of Optical System) 和俄罗 斯的Vovilov州光学研究所，据报导，他们已能采用反应烧结法制 备中1200mm SiC基反射镜，面密度可达 10kg/m2 ，表面光洁度 10RMS。
? The structural design of mirror（2）
轻量化结构设计：
目前，传统轻型反射镜常用的镜体结构形式为对称蜂窝夹心 结构，非对称蜂窝夹心结构，背面局部开口结构，背面开口结构 以及泡沫夹心层结构，以下是示意图。
? The structural design of mirror（3）
? Introduce（2）
随着航天技术的迅猛发展，为了满足更高的使用要求，光学 系统的口径必须足够大，才能获得足够高的分辨率。大口径带来 的相应问题是光学系统的重量大幅度增加，对于空间光学系统来 说，减小其重量就成为光学系统设计和制造的关键因素。反射镜 作为空间光学系统的主要部件，在整个系统轻量化上起着至关重 要的作用。
? The structural design of mirror（7）
支撑结构的选择：
主镜用三点支撑，殷钢结构组件作为镜框。它的一面安装在反 射镜背面的三个镗孔里；另一面，通过三个弹簧与反射镜安装基 准面联接，弹簧补偿殷钢和铝基准面之间的线膨胀量差。
? SiC反射镜制备工艺（1）
热等静压法：
工艺过程为 ：将微米级的 SiC粉末、烧结助剂以及阻止晶粒过 分长大的添加剂混合后预压成预制体，然后将这种预制体封装后 放入压力腔中，在单向压力或等静压下烧结。
支撑结构的选择：
利用弹簧的弹性形变解决反射镜支撑遇到的温度应力问题。 NASA在空间模拟环境下使用的红外多光谱扫描仪地面辐射定标设 备中的主镜是离轴式抛物镜，口径为 635mm，材料是微晶玻璃。 主镜的镜框为铝，用铜带吊起支撑自重，靠在镜框上，正面用弹 簧夹将光学镜固定在镜框上，弹簧夹补偿反射镜与铝镜框的线膨 胀差。
? 德国航天局 DARA 正在资助发展在一种可见光范围内使用的超轻 聚合物和陶瓷复合材料镜面。
? 结束语：
碳化硅材料由于其高的比刚度、高热膨胀系数、高热导率及 低密度等优良的特性，必将成为未来反射镜材料发展的首选材料。 虽然经过了几十年的研究和发展，碳化硅反射镜还没有达到完全 成熟的应用。因此未来的碳化硅材料作为反射镜的关键技术是要 解决后续的光学加工和轻量化技术以及结构优化等技术的研究。
轻量化结构设计：
由于光学系统是空间遥感的重要有效载荷，其质量的大小直 接决定了发射成本和工作性能的高低，因此必须在保证动、静态 刚度和强度的前提下对空间光学系统结构进行最大程度的轻量化。 其中反射镜的轻量化是整个系统轻量化最基本也是最重要的环节。
反射镜轻量化的实现途径分为以下两个方面：一是选用性能 优良的材料（在前面已经叙述过了）；二是选择有效的轻量化结 构并确定最优的结构参数。
轻量化结构设计：
能动薄反射镜的基本原理如图所示：在薄连续镜面背部固定 一定数量的波前校正驱动器，用波前探测器测量光波波面误差， 误差信号经过处理后产生控制信号，用于控制波前校正驱动器的 动作，从而改变反射镜的镜面面形来补偿光波的相差，最终保证 光学系统工作于最佳状态。
? The structural design of mirror（4）
? The choice of material on mirror（3）
第三代反射镜是 SiC材料及碳纤维增强碳化硅复合材料。 SiC 镜片质量轻，且具有弹性模量高、热变形系数小、比刚度高等特 点，能制成很薄或多孔结构，轻量化效果非常明显（轻量化率能 达到90%以上）； SiC热稳定性好，在低温下热膨胀系数小及导热 性能良好，热性能和机械性能各向同性； SiC光学性能可与光学 玻璃媲美，可达到很高的抛光精度。因此， SiC材料非常适用于 空间反射镜。
多孔泡沫 SiC ：
工艺过程如下：通过热解多孔热硬化聚合体获得多孔的碳骨架， 然后采用CVI法在其内表面沉积 SiC，以增强网状骨架的强度、密 度，获得开孔泡沫 Si。
? SiC反射镜制备工艺（4）
综合方法：
先以反应烧结法或热压制备多孔 SiC材料，然后采用 CVI法沉 积SiC对材料增密，使基体结构与 CVD涂层热膨胀系数相匹配。反 应烧结法结合 CVI工艺是制备SiC反射镜的高效低成本工艺。
? The choice of material on mirror（4）
反射镜的材料性能对比表
密度 ρ （g/cm3 ）
弹性模量 E （GPa ）
泊松比 υ
热膨胀系数 α （ 10-6/K ）
导热率 K （ W/m ?K）
比刚度 E/ρ （Gpa?g/cm3 ）
表面粗糙度 RMS （nm ）
ULE
? The structural design of mirror（6）
支撑结构的选择：
主镜选用9点杠杆式支撑，底支撑分内外两圈，内圈 3点外圈6 点，每点承担 1/9的重量，9点支撑的重量最后落于三点上。这种 结构的优点是，支撑机构是浮动装置，可以自由调节，温度变化 不会使主镜产生应力变形，但不能做定位用。
? SiC反射镜制备工艺（2）
反应烧结法：
工艺过程为 ：采用具有反应活性的液态 Si与含有SiC、C的多 孔体中的C反应，原位生成的 SiC结合原有的SiC颗粒。
? SiC反射镜制备工艺（3）
化学气相渗透法：
最具代表性的是美国的橡树岭国家实验室 (ORNL)和法国的欧 洲动力公司 (SEP）。
? SiC反射镜制备工艺（3）
2.21
67
0.17
0.015
13
30.3
?0.3
Zerodur
2.53
92
0.24
-0.09
1.3
36.4
—
Be
1.85
287
0.07
11.3
216
155.1
?0.1
RB-SiC
3.04
340
0.14
2.4
170
111.8
?2.0
期望值
小
大
小
小
大
大
小
? The structural design of mirror（1）
谢谢
? The choice of material on mirror（2）
第二代反射镜材料是金属，包括 Be、Al、Mo、Cu等，其中以 Be 为代表。 Be及其合金有较高的弹性模量、优异的力学性能，但 其热膨胀系数很高，易产生热变形； Be有剧毒，对人体有害，进 行加工时需要采取一系列保护措施，这样大大增加了反射镜的制 造成本， Be 反射镜制造成本高出碳化硅反射镜数倍。另外，人类 不断进步，环保意识正逐渐加强，目前欧美一些发达国家已经停 止使用Be反射镜。
支撑结构的选择：
前苏联光学和天文学家马克苏托夫提出的温度补偿法，根据各 种材料线膨胀系数不同，选择线膨胀系数较大的材料作为补偿块， 放在反射镜和镜框之间，用补偿块的大收缩量补偿反射镜收缩量 的不足，它是在大温差下使用的反射镜支撑机构的基本方法，被 广泛采用。
? The structural esign of mirror（5）
? Introduce（3）
高性能空间反射镜必须满足以下几个特点：密度小、比刚度大、 膨胀系数小、导热性好以及适当的强度和硬度以及机械加工性。 密度小可以实现轻量化，提高发射性能，降低发射成本；比刚度 大能够保证反射镜在力学载荷下不易变形；而低膨胀系数和高导 热率，可以减小反射镜的热变形，提高其抵抗空间热载荷能力等。 由于SiC材料具有弹性模量高、热稳定性能好、热变形小、光学性 能优异以及化学稳定性好等优点，目前世界各国都把应用 SiC材料 作为发展空间反射镜的重点项目。