反射镜用SiC陶瓷表面改性涂层的研究进展

综述了反射镜用SiC陶瓷表面改性涂层的研究现状,重点介绍了化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)制备SiC涂层和硅涂层的优缺点及制备机理,并讨论了SiC陶瓷光学部件表面改性今后的发展方向。     

空间用碳化硅反射镜的设计制造与测试

碳化硅由于其优异的机械性能和热物理性能而成为颇具吸引力的反射镜材料。采用反应烧结碳化硅(RB-SiC)材料制备了空间用反射镜体,用化学气相沉积(CVD)工艺在镜体镜面沉积一层致密的碳化硅薄膜,反射镜采用蜂窝状背面开放式轻量化结构。对直径为250 mm反射镜的组织、性能做了一系列研究测试。结果表明:反射镜体为Si/SiC两相组织,薄膜为单相SiC,反射镜的机械、热性能优异,薄膜与基体结合强度为345.5 MPa,研磨后镜面表面粗糙度达到1.487 nm rms。采用本文工艺方法有能力制备米级直径的空间用碳化硅反射镜。     

超轻量化SiC反射镜的制备及性能

采用真空辅助凝胶注模和反应烧结法制备了面密度分别为9.35和11.7kg/m2,直径分别为200和500mm的两块超轻量化SiC反射镜,检测了反射镜的主要性能。结果显示:由于在真空环境下浇注,坯体没有宏观缺陷。材料中细小SiC颗粒的存在使材料具有相对较高的抗弯强度(335 MPa)和断裂韧性(4.5 MPa·m12)。此外,反射镜材料金相组织中未出现明显的SiC颗粒定向排列,具有较好的各向同性度:不同方向热膨胀系数差异小于3%,模量差异为1.3%。镜坯经过光学加工后面形误差(RMS值)为0.043λ(λ=632.8nm),表面粗糙度(Ra值)优于5nm。实验表明,真空辅助凝胶注模成型结合反应烧结工艺制备的超轻量化SiC反射镜各方面性能良好,适用于制备空间相机用反射镜。     

应用SiC反射镜表面改性技术提高TMC光学系统信噪比

为了消除SiC反射镜的固有缺陷,提高反射式光学系统的信噪比,使用SiC表面改性技术对同轴三反射(TMC)光学系统的SiC反射镜进行了处理.首先,应用等离子体辅助沉积(PIAD)技术沉积了一层Si改性层,接着对改性层进行精密抛光,然后在反射镜表面镀制Ag膜和增强膜,最后获得了表面改性对TMC光学系统信噪比的影响.Wyko轮廓仪测试表明,SiC反射镜的粗糙度R_a由10.42 nm降低到了0.95 nm;镀制高反射膜后,主镜、次镜、三镜及折叠镜在0.5～0.8 μm可见光波段的反射率＞98%.计算结果表明,应用了表面改性技术后TMC反射式光学系统的信噪比提高了5%以上,说明SiC表面改性技术是一种提高TMC光学系统信噪比的有效方法.     

空间相机反射镜碳化硅材料性能测试

通过对SiC样件加工研磨及反射率等性质的测试,得到了材料的性能数据,分析了用SiC材料制备反射镜毛坯的几种方法的优缺点。采用Lanmda-9分光光度计,对SiC在不同表面镀硅、镀银、以及镀硅后再镀银的条件下进行了反射率测试,得出在镀硅再镀银条件下,反射率最高,达到98%的结果。利用Wyko干涉仪对国产SiC长条形样镜进行研磨分析测试,测得表面粗糙度值为6.27 nm。该材料在某型号离轴三反光学系统中作为反射镜得以应用和验证,测得被加工后,镜面面形PV值达到0.068 λ,RMS值为0.01 λ(λ=632.8 nm)。此结果表明,材料的性能达到了可加工可应用的要求。     

大尺寸轻型碳化硅质镜体的制造与材料性能测试

利用凝胶注模(gel-casting)成型工艺制备了620 mm和700 mm×300 mm的碳化硅(SiC)轻型反射镜素坯,经过脱模、干燥、脱脂和反应烧结等工艺,制备了反应烧结SiC(RB-SiC)镜体。镜体经过加工和测试,结果表明:制备的RB-SiC内部结构均匀致密;力学性能和热学性能优异,抗弯强度、断裂韧性和热膨胀系数分别达到了350 MPa、 4.1 MPa·m^1/2和2.67×10^－6/K;镜体经抛光后的表面粗糙度RMS值可优于3 nm,适合用于制备空间用大尺寸轻型反射镜。     

表面改性非球面碳化硅反射镜的加工

为了获得高质量光学表面的非球面碳化硅(SiC)反射镜,对碳化硅反射镜表面改性技术以及离子束辅助沉积(IBAD)Si改性后的非球面碳化硅反射镜的加工技术进行研究。首先,简要介绍了碳化硅反射镜表面改性技术以及本文所采用的离子束辅助沉积(IBAD)Si的改性方法。然后,通过采用氧化铈、氧化铝以及二氧化硅等各种抛光液对离子束辅助沉积(IBAD)Si的碳化硅样片进行抛光试验。试验结果表明氧化铈抛光液的抛光效率较高,使用二氧化硅抛光液抛光后的样片表面质量最好。最后,在上述实验的基础上,采用计算机控制光学表面成型（CCOS）技术对尺寸为650mm×200mm的表面改性离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜进行加工,最终的检测结果表明离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）优于λ/50（λ=0.6328μm）,表面粗糙度优于1nm（Rq值）,满足设计技术指标的要求。     

轻型碳化硅质反射镜坯体的制造工艺

研究了轻型碳化硅质反射镜坯体制造技术,讨论了制备工艺中的关键环节.提出了一种先进的消失模技术用于制备性能更加优异的背部半封闭式轻量化结构.针对制备大尺寸复杂形状陶瓷的难点,研究了SiC陶瓷素坯凝胶注模成型及成型过程中高固相含量低黏度SiC浆料的配置、浆料固化时间控制及大尺寸复杂形状SiC湿坯的液体干燥工艺等.测试分析了...     

SiC反射镜表面改性对TMC光学系统信噪比的影响

SiC（Silicon Carbide）反射镜由于固有的缺陷,在使用时会影响反射式光学系统的信噪比。采用表面改性技术后,Wyko轮廓仪测试表明SiC反射镜的粗糙度由10.42nm（Ra）降低到了0.95nm（Ra）,镀制了银反射膜和增强膜后,主镜、次镜、三镜及折叠镜在0.5μm-0.8μm的可见光波段反射率＞98%。计算的结果表明应用了表面改性技术后TMC反射式光学系统的信噪比提高了5%以上。     

碳化硅轻型反射镜技术

给出了常用的轻质材料,对比分析了碳化硅的材料特性。介绍了碳化硅反射镜制造中的几个关键技术,包括RB碳化硅反射镜毛坯制造,SiC涂层技术和SiC反射镜的加工技术。     

Φ510mm SiC超轻量化反射镜的设计与有限元分析

针对Φ510mmSiC超轻量化反射镜的研制,提出了一剖面为船型、内部为正三角形、面板加密呈正六边形的轻量化结构。当设计重量为1.85kg时,通过调整各个结构参数与另外两种相同重量的轻量化结构进行了比较。结果表明,在同样背部6点支撑作用下,该超轻量化结构在光轴指向天顶时由自重引起的面形(RMS)具有较大优势。利用Patran\Nastran有限元软件模拟计算了该超轻量化反射镜在光轴水平状态下的自重镜面变形,并对其进行了热力学及动力学特性分析。分析结果显示,该超轻量化反射镜各项指标均能满足使用要求。最终,根据设计结果试制加工了一块镜坯,初步加工后的重量约为2.2kg,面密度约为10.8kg/m2,已达到目前SiC超轻量化反射镜的先进水平。     

4mSiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力（β=0.5）支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30（λ=632.8 nm）的指标要求。     

大口径SiC轻量化主镜热变形的定标

为了准确地预算出大口径SiC轻量化主镜镜面的温度变形,研究了不同热模式下SiC轻量化主镜镜面面形的定标和计算方法.将SiC轻量化主镜上的温度传感器在轴向厚度方向上进行分层处理,对每层上的温度分布采用准Zernike多项式进行拟合.以4 m SiC轻量化主镜为例,采用有限元法分别对准Zernike前9项温度模式(18种温度场)下的镜面变形进行定标计算,得出各种单位载荷作用下轻量化主镜镜面的最大变形以及面形误差PV值和RMS值.计算结果表明:准Zernike第一项模式、单位载荷作用下镜面变形最大,其面形误差RMS为278.3 nm.采用最小二乘法对各种温差场下的镜面误差进行准Zernike多项式拟合,获得了准Zernike像差项的系数.采用最小二乘法拟合计算出镜面变形误差产生的准Zernike像差项的系数,结果表明,18种温度场下产生的像差形式主要有:平移、倾斜、离焦、彗差和像散.     

1.2m SiC主镜轻量化设计与分析

为了探索研究大口径轻量化SiC主镜的可行性,对比分析了各种主镜轻量化形式的优缺点,确定了主镜的支撑方式;然后,从理论上计算了轻量化镜体结构参数,设计了采用夹心三明治结构扇形轻量化孔形式的1.23 m SiC轻量化主镜.利用有限元方法分析了轻量化主镜在浮动支撑下的自重变形,两种工况下的面形分别为:PV=9.43 nm,RMS=2.5 nm;PV=16.7 nm,RMS=3.2 nm.分析结果表明,镜体的自重变形影响较小,可以满足要求.而由于SiC的热膨胀系数较大,热变形影响较大,在稳态温度场下,温度每相差1 ℃,镜面面形变化约为PV=40 nm,RMS=4.8 nm,说明为了达到了设计要求,必须对镜体采取热控措施.