大尺寸碳化硅基空间反射镜制备工艺及性能

采用轻量化的硅/碳化硅复合材料制造大尺寸摆镜或高分辨率相机的主镜.该材料的组织构成是双峰分布的碳化硅晶粒和游离硅.利用碳化硅、碳注浆成型制备复杂轻量化结构的的素坯.在硅气相渗透过程中,碳与硅反应形成新的碳化硅,过量硅填充坯体孔隙.由于干燥和反应过程中收缩量小,可用来制备形状复杂且无缺陷的大尺寸样品.硅/碳化硅复合材料可用作空间光学镜面基板,利用电子束物理气相沉积,在基板上沉积硅膜,同时检测硅/碳化硅复合材料和硅膜的性能.制备了各种尺寸的空间用反射镜,直径为120 mm的六角形镜面重0.23 kg,厚度15 mm,表面抛光并镀硅膜,后开式蜂窝状结构的面密度为24.3 kg/m2,面形精度为0.1λ@632.8 nm p-v,表面粗糙度<3nm rms.利用有限元分析方法估计实际条件下的应力和变形.     

空间遥感器反射镜组件的设计与有限元分析

针对某空间遥感器反射镜的设计指标要求,分析并优化了反射镜的支撑形式和结构参数,得到了质量为23.7kg,轻量化率达到76.2%的反射镜结构。在反射镜基本构型确定的基础上,设计了镜体的支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了反射镜结构系统的动静态刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元软件ABAQUS对反射镜组件进行了精确有限元分析,分析结果表明,在1g重力作用下反射镜的面形精度RMS达到3.66nm,在4℃均匀温升载荷作用下反射镜的面形精度RMS达到4.16nm,在1g重力和4℃均匀温升载荷耦合作用下反射镜的面形精度RMS达到5.51nm,反射镜组件的一阶固有频率为137.51Hz。得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求。     

4m SiC主镜的轻量化及支撑技术

为设计出结构合理的4mSiC轻量化主镜,本文借助于有限元法完成了扇形轻量化主镜的参数设计,确定了90个支撑点的排布方式,并提出了将36组轴向和侧向力促动器共同设置在主镜背面的力分散器上的支撑方案。通过建立轻量化主镜的有限元模型,计算出不同的俯仰角下主镜的重力变形和不同温度载荷下主镜的热变形情况。重力变形分析结果表明主镜光轴水平时,镜面最大变形误差RMS仅为14．7nm,满足设计指标要求;热变形分析预算出1℃的轴向温差引起的镜面面形误差RMS值为278．0nm。若要保证4mSiC轻量化主镜的镜面面形,则必须设计出合理的热控装置,保证主镜的轴向温差不大于0．1℃。     

长条形空间反射镜镜体及其支撑结构设计

为了满足长条形空间反射镜的设计要求,从结构材料的选择、镜厚比确定、支撑方式与最佳支撑点位置的选择以及镜体轻量化等方面进行了详细的镜体结构设计。设计了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足温度载荷与装配误差0.05mm工况下镜体面形精度的要求。利用有限元分析软件对反射镜组件进行分析,反射镜组件在Z向1g重力、4℃温升以及0.05mm强制位移三种工况耦合作用下的面形误差峰谷值PV为20.5nm,均方根值RMS为4.75nm,优于PV值小于λ10,RMS值小于λ50的设计指标。组件一阶频率141.83Hz,满足动态刚度要求。组件分析结果表明,反射镜及其支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

30m望远镜三镜系统初步设计与分析

为保证30 m望远镜(thirty-meter telescope,TMT)聚集的光线顺利进入各个终端设备,设计了一套适用于30 m望远镜的精密跟踪指向三镜系统.该系统包含有基于Whiffle-tree原理的三镜支撑系统设计和采用地平式结构的跟踪指向系统设计2两个部分.通过参数化建模手段,在ANSYS中建立了系统的详细模型,联合Matlab完成了98个主要工况下的静力学分析后,对镜面面形结果以及结构变形情况进行了统计总结.最后将面形误差引入到ZEMAX中,分析了三镜面形变化对光学调制传递函数的影响.结果表明:98个工况下三镜位置与理想位置最大偏差为1.28 mm,系统的第一阶谐振频率为15.1 Hz,各工况下三镜面形精度均满足指标要求.三镜面形误差对系统MTF影响较大,但通过主镜主动光学校正后可以明显提高成像质量,满足使用要求.通过分析可知,该方案能够满足30 m望远镜项目的需求.探索与解决巨型望远镜的这些技术问题能够大大提高中国在超大口径光学望远镜上的设计和制造能力,并为建设中国下一代巨型望远镜积累丰富的经验.     

中波红外发射系统光机结构设计与主镜的分析和检测

激光准直扩束系统被广泛应用在光通信、光测量等领域,可实现对出射激光准直和扩束,减小激光发散角,增强远场激光辐射强度。根据设计要求和光学系统特点,设计了口径为290mm的卡塞格林式中波红外发射系统,设计了主、次镜装调结构,并完成主镜支撑结构、次镜支撑结构、透射目镜支撑结构及其他部分的结构设计。用ANSYS Workbench对主镜支撑结构进行分析。主镜面形精度采用ZYGO干涉仪进行波像差检测,得到RMS为0.047λ(λ=4.7μm)。结果表明,设计的中波红外发射系统满足准直扩束系统对像质的要求,可实现出射激光的准直和扩束,且结构简单,易于加工装调,具有较高实际应用价值。     

望远镜主镜支撑中粘接连接的热应力研究

支撑与镜面的连接是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,连接的好坏直接影响望远镜的成像质量。相比机械紧固方式,粘接连接具有重量轻、成本低、易于装配等优点,常被用来作为支撑和主镜的连接方式。但由于粘接连接中镜子和粘接层的材料不同,在温度变化时,会引起较大的热应力,从而影响主镜的面形质量,因此对粘接链接中的热应力也需要进行研究。为此本文使用有限元方法对粘接层的热应力进行了系统研究,采用了MMT望远镜的支撑结构形式,通过计算镜子表面热应力分布情况,找到热应力最大值,并研究了几何因素、粘接层厚度和粘接层模量对热应力最大值的影响。     

Microstructure and thermal properties of SiCp/Cu composites with Mo coating on SiC particles

SiCp/Cu composites with a compact microstructure were successfully fabricated by vacuum hot-pressing method. In order to suppress the detrimental interfacial reactions and ameliorate the interfacial bonding between copper and silicon carbide, molybdenum coating was deposited on the surface of silicon carbide by magnetron sputtering method and crystallized heat-treatment. The effects of the interfacial design on the thermo-physical properties of Si Cp/Cu composites were studied in detail. Thermal conductivity and expansion test results showed that silicon carbide particles coated with uniform and compact molybdenum coating have improved the comprehensive thermal properties of the Si Cp/Cu composites. Furthermore, the adhesion of the interface between silicon carbide and copper was significantly strengthened after molybdenum coating. Si Cp/Cu composites with a maximum thermal conductivity of 274.056 W/(m·K) and a coefficient of thermal expansion of 9 ppm/K were successfully prepared when the volume of silicon carbide was about 50%, and these Si Cp/Cu composites have potential applications for the electronic packageing of the high integration electronic devices.     

场效应晶体管短路失效的数值模型

为了分析碳化硅和硅两种材料的场效应晶体管的短路失效机理,利用半导体器件模拟软件建立了能够反映碳化硅场效应晶体管和硅场效应晶体管短路失效的数值模型。模型引入了自热效应模拟高电应力下晶体管内部温度变化及热传递过程,引入了福勒-诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿和蒲尔-弗朗克(Poole-Frenkel)发射模拟氧化层的泄漏电流;短路实验结果验证了所建立的数值模型的准确性。通过对比两种晶体管数值模型在相同的短路条件下栅极驱动电压的变化、晶体管内电流线和温度的分布,结果表明,碳化硅场效应晶体管的短路失效主要是晶体管内的温度传递到表面引起金属电极的熔化以及栅极氧化层的严重退化,而硅场效应晶体管的短路失效是由于寄生双极型晶体管的导通导致其体内泄漏电流不可控而引起的灾难性的破坏。     

Purity of SiC powders fabricated by coat-mix

Silicon carbide powders were synthesized by the coat-mix process, with phenolic resin and silicon powders as starting materials.The effects of synthetic conditions, including sintering temperature and the molar ratio of resin-derived carbon to silicon on the composition and the purity of the resultant powders were investigated.The results show that a higher sintering temperature and an appropriate molar ratio of resin-derived carbon to silicon are favorable for producing high purity silicon carbide powders.It is found that the silicon carbide content increases slightly with increasing the sintering temperature during the solid-solid reaction.The temperature gradient plays an important role on this trend.When the sintering temperature is raised up to 1500℃, the formation of silicon carbide is based on the liquid-solid reaction, and high purity (99.8wt%) silicon carbide powders can easily be obtained.It can also be fotmd that the optimum molar ratio of resin-derived carbon to silicon is 1:1.     

大口径纹影系统主反射镜装调结构分析与设计

研制纹影测试系统中大口径主球面反射镜的装调结构.利用有限元法,对有效通光口径直径为800 mm的主镜进行应力和面变形分析.采用断裂几率预测法校核玻璃机械强度,通过优化得出反射镜面变形的均方根(rootmean square,RMS),以此为依据,设计出满足系统技术要求的主镜装调结构.     

望远镜主镜柔性侧支撑机构设计研究

侧支撑是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,侧支撑机构具有结构复杂、精密性高、运动量微小、无污染等特点,其性能优劣直接影响望远镜的成像质量甚至主镜自身安全。相比于传统机械式铰链机构,柔性结构具有体积小、无摩擦、无间隙以及无需润滑等优点,更加适用于大型望远镜主镜侧支撑机构。本文通过对柔性结构柔度矩阵的分析,利用等效弹性模量方法降低柔性结构设计及分析难度;针对一种基于运动学平衡原理的柔性侧支撑方式,通过等效弹性模量方法优化柔性结构尺寸,以满足大型望远镜主镜对于侧支撑机构的面形精度、定位精度、热匹配能力、固有频率的技术要求。     

大口径红外变焦投影系统环境适应性研究

对大口径变焦投影系统环境适应性进行仿真研究。影响其力学和光学性能因素主要有公路运输和环境温度,首先对整体结构进行约束模态分析,计算出系统的基频为79.781Hz,远大于二级道路运输的要求50Hz×120%,在运输过程中不会产生共振现象。利用同一模型对其温度适应性进行了研究,通过光机热集成分析方法,找到影响其成像质量的最主要因素为主次镜的曲率变化,在满足系统成像质量的前提下,得到了系统的热控指标约为20±27℃左右,远高于系统的正常工作温差,因此系统的设计是合理可行的。     

相变墙体与夜间通风改善轻质建筑室内热环境

将自制复合有机相变材料,与EPS保温材料相粘和,制作成轻质建筑用墙体材料,结合夜间通风技术,在重庆地区进行了含相变材料层和不含相变材料层轻质房间的室内热环境对比实验,以分析相变材料用量、相变温度及相变墙体结构等因素对相变墙体的蓄热、放热性能及对室内热环境的影响。实验结果表明：相变材料应用于轻质房间,能显著增强围护结构的热惰性,提高室内的热舒适性,采取夜间通风技术,可以有效地将日间蓄积的热量散至室外;含相变墙体材料房间与普通房间相比较,室内温度最高降低11℃左右,节能效果显著;室内平均温度符合《野营住房空间与环境参数限值》（GJB4306-2002）中6．2条规定的3级要求;相变材料用量及相变温度对室内温度的控制效果较为明显,采用不同的相变温度,并将相变墙体房间相变材料用量提高1倍,两轻质房间室内温差最大值从3℃增大至11℃左右;进行相变墙体结构设计时,采取不同相变温度的材料搭配使用可以大幅提高其使用效果。     

Whiffletree结构中的柔节设计

针对某空间遥感器大口径反射镜采用的复合支撑结构的定位、解耦和释放热应力需求,设计了一种空心圆柱切槽式的柔节。根据该柔节在支撑结构中的功能,采用传统材料力学公式和有限元仿真相结合的手段开展柔节结构件的设计。该柔节可以约束沿柔节轴向的自由度,释放垂直轴向的方向的自由度,该柔节结构简单,并且很实用。采用有限元和试验的方法,对柔节在设计载荷下沿轴向的变形量和径向的变形量进行了仿真和测试,沿轴向的变形量为0.002mm,沿径向的变形量为0.113mm,该柔节满足支撑结构的解耦要求。     

数字地震仪在精密装置支撑结构微振动分析中的应用

精密光学装置支撑结构的微振动响应分析是大型光学系统稳定运行的重要保证。为了分析精密镜架在微振动响应下的响应是否满足设计要求，采用流动式数字地震仪的背景噪声测试方法，对精密光学装置支撑结构的环境地面振动进行了测试和数据处理，并就如何应用测试数据进行支撑结构微振动响应分析进行了初步探讨；并以实测数据作为激励，采用ANSYS谱分析模块对镜架的响应进行了分析，结果表明镜架在微振动作用下的响应满足设计要求。     

基于ISIGHT平台的大型空间望远镜主镜主动光学系统研究

为了实现大型空间望远镜的高成像质量,建立了主镜主动光学系统模型。对主镜面形校正的算法、主镜面形校正的精度以及主镜面形校正能力等进行研究。首先,对主镜面形校正的算法进行研究。对主镜的镜体结构和支撑方案进行设计,建立了主镜有限元模型。构造了单位主动力矩阵和主镜面形响应矩阵。采用广义逆矩阵法求得了主镜面形校正矩阵。接着,采用多学科分析平台Isight建立主镜面形校正精度模型,以慧差为例,分析了主镜面形校正的准确性。最后,采用Isight平台建立了主镜面形校正能力分析模型,以低阶像散为例,分析了在促动器最大调整力为100N时,主镜面形的校正能力。分析结果表明：主镜慧差的校正精度为4%;力促动器能校正0.467个波长的像散。主镜面形校正算法及模型基本准确,可用来进行主镜面形校正。     

煅烧对微硅粉性能的影响

采用同步热分析法、X射线衍射、扫描电镜、比表面积和白度等测试手段对煅烧前后的微硅粉样品进行了分析.实验结果表明:在600℃、4 h煅烧时微硅粉的除碳效果最佳,煅烧后样品中碳的质量分数由1.96%下降到0.65%;样品主要成分二氧化硅晶体结构并未变化,仍旧为非晶态,煅烧后仍出现了碳化硅的特征峰,表明煅烧去除的主要为游离碳;微观形貌分析表明,煅烧后样品微观颗粒粒径在长大,片状物质的含量却明显减少,但是组成颗粒的一次粒子长大并不明显;比表面积测试表明煅烧前后比表面积变化不大,但白度由31.04提高到70.14.     

模拟钛合金TC4表面复合铝基碳化硅材料的研究

在钛合金表面复合一层铝基碳化硅材料,可以获得一种兼顾钛合金及铝基碳化硅材料性能优势的新型复合材料,为提高复合件的质量,通过模拟仿真,获得复合的数据。为确保数据的准确性,将测试的钛合金及铝基碳化硅材料热膨胀系数作为参数导入仿真,观察影响钛合金及铝基碳化硅材料复合的主要因素在于两者的热膨胀系数的差异,这一差异可以通过调整钛合金或铝基碳化硅材料的成分获得改善,这为分析钛合金及铝基碳化硅材料复合件的质量提供了指导。     

Silicon assistant carbothermal reduction for SiC powders

The silicon assistant method to increase the reaction yield of carbothermal reduction of silica at a lower temperature is reported. The effect of silicon on the carbothermal reduction process has been investigated in detail. Compared with traditional reduction, the introduction of silicon can change the reaction path and further increase the conversion of silicon carbide at a lower temperature. It is considered that the assistant reduction consists of three steps: vaporizing and melting of silicon, formation of silicon monoxide, and synthesis of silicon carbide. The morphology of the synthesized SiC powders through the silicon assistant method can be affected apparently by the experimental temperature.