0 前言
反射镜片是大型太空望远镜、大型地面望远镜、预警卫星、探测卫星、侦察卫星、气象卫星、高能激光武器、激光雷达系统、真空紫外线望远镜和高分辨率空间相机光学系统的重要组成部分[1]。随着高能连续激光技术的飞速发展,激光系统中的反射镜承受着越来越高的功率密度,传统的材料和表面质量标准已不能完全适应于高能连续激光系统的需要。高功率连续激光反射镜是高能连续激光系统中的主要光学元件,其质量的好坏直接影响着高能激光系统的性能。从材料学的角度,激光反射镜材料应满足的基本要求是[1~5]:(1)热稳定性好,保证反射镜能在很宽的温度范围内(4~700K)正常工作,有高的弹性模量,低的热膨胀系数;(2)物理性能和热性能各向同性,有高的热导率,保证镜片在温度变化时不会产生变形;(3)具有高反射率和低散射率,要求材料表面具有很高的理论密度,可获得高的表面光滑度;(4)具有抗腐蚀性和化学稳定性,可抵抗高能微粒子长期冲刷;(5)材料加工工艺性好,在保证反射镜正常工作的前提下能进行加工减重,材料具有高的比刚度(E/ρ),易于机械加工。
1 SiC反射镜材料
1.1 反射镜材料的发展
目前反射镜材料已发展到第三代[6]。第一代反射镜用材料是玻璃,如Zerodur、Quarts、ULE(Ultra2Low 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,是用于光学、光电和精密工程的微晶玻璃,其膨胀系数近似为零。Zerodur是一种高均匀性的材料,即使是直径数米的材料在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,玻璃镜的直径和厚度需要满足一定的比值,因此玻璃反射镜比较重。此外,玻璃导热性能和抗热震性能差,难以强制水冷,不适宜制作大型空间反射镜。
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,对其进行加工时需要采取一系列保护措施,大大增加了制造成本,Be反射镜制造成本高出SiC反射镜数倍。基于环保考虑,欧美一些发达国家已经停止使用Be反射镜。
第三代反射镜是SiC材料及碳纤维增强SiC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,轻量化效果明显;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陶瓷材料非常适用于反射镜体系。
1.2 SiC反射镜材料的特点
表1是接近理论密度的化学气相沉积(CVD) SiC陶瓷、反应烧结SiC(RB SiC)、Be、Zerodur、多晶硅和石英反射镜材料的性能比较[7]。
从表1中可以看出:(1)从弹性模量来看,SiC和金属Be远高于玻璃及多晶硅,CVD SiC的弹性模量分别是Zerodur、石英玻璃的5倍和7倍多,RB SiC略低于CVD SiC,但也比金属Be高。(2)材料的热稳定性可以通过静态热畸变系数(SteadyState Distortion=α/k)和动态热畸变系数(Transient Distortion=ρ·Cp·α/k)来衡量,热畸变系数越小,材料的热稳定性越好[7]。SiC的热稳定性明显优于其它材料。虽然金属Be静态热稳定比Zerodur玻璃好,但从动态热稳定性来看两者相差无几,热畸变系数约为CVD SiC的12倍。石英玻璃热稳定性最差,热畸变系数为CVD SiC的50~60倍。(3)材料的光学加工性能方面, CVD SiC和玻璃最好,其抛光精度都小于3!,多晶硅次之,金属Be可以达到10!。RB SiC制备工艺无法获得全致密材料,总会残留一定孔隙及缺陷,用作反射镜材料时,通常在抛光后需要在表面制备一层CVD SiC涂层。(4)目前,空间系统的发射费用高于20000 $/kg,光学系统(包括反射镜和支撑系统)减重100 kg,有效载荷就能够减少250~300 kg,其结果不单节省了几千万美元的发射费用,而且提高了空间探测器的飞行性能,特别是拦截
器的飞行性能[8]。因此反射镜的轻量化具有非常重要的战略意义。只考虑材料的密度时,玻璃反射镜是最轻的。作为反射镜,特别是大型反射镜片,在外力及自重的影响下,材料的比刚度低,要使反射镜成像稳定,直径和厚度需要满足一定比值。玻璃比刚度低,不到CVD SiC的1/3,所以玻璃反射镜的径厚比通常只能达到6∶1~8∶1,大大增加了反射镜的重量,因此玻璃反射镜比较重,不宜制作大尺寸空间反射镜[7]。此外玻璃热导率小,抗热震性能差,不能进行水冷,运用于高能连续激光时,承受高能激光的辐照容易炸裂。
SiC的比刚度高于光学玻璃、石英、多晶硅,高比刚度意味着可以做成高径厚比的反射镜,国外研制成功的SiC反射镜片,其径厚比轻易达到20∶1[7],这是SiC反射镜轻量化的主要原因。高弹性模量和高比刚度使SiC反射镜可进行轻量化结构设计,多为蜂巢式网络结构,这是SiC反射镜轻量化的另一条途径。如Boostec公司为ESA(European SPACe Agency)设计的Herschel望远镜[9],主反射镜为直径3.5m的烧结SiC反射镜,反射平面厚度仅2.5 mm,总重量210 kg,面密度为21.8 kg/m2,由12块扇形SiC反射镜片焊接而成,将于2007年发射升空,成为直径最大的在轨太空反射镜。为达到减重目的,这种扇形镜片背面加工成三角形凹槽组成的网络结构,从中心到边缘肋板高度由110 mm逐渐变为10 mm。
通过以上的比较发现, CVD SiC弹性模量高,热稳定性好,光学加工精度高,可进行轻量化设计,是目前作为高性能轻型反射镜材料的理想材料。但CVD过程非常缓慢,沉积速率小,如果沉积10 cm厚度的构件,将花费20天左右的时间,所以单纯用CVD法制备SiC块体陶瓷工艺要求和成本都很高。根据国外研究成功的SiC反射镜,一般采用其它方法制备SiC基体,如表1中的反应烧结SiC,除光学加工性能外,其它性能指标均比较理想。最后在抛光的SiC基体表面制备一层CVD SiC,以满足抛光精度要求。
1.3 SiC反射镜的研究现状
SiC反射镜的研究已经有20多年的历史[10],发达国家的研究者在这方面取得了丰硕的成果,其中美国和俄罗斯技术水平最为先进。美国的SSG公司、Eastman Kodak[11]公司、PO2CO[7, 12]公司、Ultramet[13]公司已经实现了SiC平面反射镜的产品化。法国Boostec[14, 15]公司制备了直径3.5 m的SiC陶瓷反射镜。俄罗斯空间光学研究院制备的直径630 mm的SiC陶瓷反射镜,其表面直接抛光精度达到2 nm RMS。国内对SiC反射镜的研究起步较晚,在这方面的报道虽然很多,但仍然没有较为成熟的技术,仍处于实验室研究阶段,还没有实现产业化。对于SiC及其复合材料反射镜制备及加工技术,国外对我们是严格保密的,而国内对这一材料的需求又极为迫切。如高能激光器采用的反射镜,以单晶硅材料为主,或采用进口的SiC反射镜
片。向国外购买SiC反射镜不仅价格昂贵,而且涉及军事技术,不可能完全依靠国外的现有技术,因此,必须加紧开展这方面的研究。国内目前进行SiC反射镜设计及制造的单位有:哈尔滨工业大学、国防科学技术大学、中国科学院长春光电研究所和上海硅酸盐研究所等[1,16~18]。
2 SiC反射镜制备方法及研究概况
制备SiC反射镜的方法主要有4种:热等静压法、反应烧结法、泡沫SiC和化学气相渗透法。采用前3种方法制备的SiC反射镜,由于表面致密度较低,抛光性能差,最终都需要通过化学气相沉积法在表面沉积一层致密的SiC涂层。
2.1 热等静压法
由于SiC扩散激活能很低,所以纯SiC粉末烧结十分困难,采用普通烧结法所需温度也很高,尽管加入烧结助剂可提高界面或体积扩散能,降低烧结温度,但制备材料时收缩率大,致密度低,抛光精度低。因此,研究者一般不采用普通烧结法制备反射镜片,而采用热压法或热等静压法(Hot Isostatic Pressing,HIP)。其主要工艺过程为[18]: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。与普通烧结法相比,材料致密度高,样品收缩小。其主要工艺流程如图1所示。
法国Boostec[14]公司是目前少数能生产全SiC大尺寸轻型反射镜的公司之一,参与设计并制备了多个太空望远镜。如:2004年3月ESA发射升空的Osiris窄角度相机,主镜直径500mm,重量小于12kg;2004年5月中国台湾地区发射升空的Rocsat 2望远镜,直径为600 mm;将于2007年发射升空的Her2schel主镜,其直径为3.5 m,为目前制备的直径最大的太空望远镜。Boostec公司还参与了ESO OWL (Over WhelmingLarge)计划的反射镜研究,该地基望远镜直径设计为100 m[19]。这些反射镜均为Boostec公司制备的SSiC(Sintered SiC),采用了冷等静压法。其工艺过程如下:(1)石油焦和二氧化硅在1700~2500℃生成α2SiC,粉碎成超微米颗粒,加入C和B作为烧结助剂和一种有机添加剂作为成形剂,混和均匀;(2)在200MPa以上进行冷等静
压制得到粗坯;(3)机械加工后,在2100℃进行无压烧结;(4)抛光后获得反射镜片,如需要则在表面沉积一层CVD SiC涂层。SSiC为多晶α2SiC,晶粒各向同性且分布均匀,所以材料总体各向同性。SSiC密度为3.10~3.19g/cm3,孔隙体积分数小于3.4%且分布均匀。SSiC烧结过程中材料收缩率为20%左右,但可以根据材料组成及制备工艺进行预测。
该工艺的优点是材料致密度高(可达到98%理论密度),制备周期短,可进行大批量生产;缺点是等静压法受模具和烧结压力的制约,材料的结构不能太复杂,也不能制备大尺寸的样品。烧结过程由于烧结助剂的加入,使材料中存在多相物质,在抛光的过程中会出现空洞,导致抛光精度不高,需在材料表面制备一层CVD SiC涂层。此外,本文作者使用热等静压SiC为基体制备CVD SiC涂层,发现涂层易产生裂纹,其原因可能是残留的烧结添加剂影响了基体的热膨胀系数,涂层的热膨胀系数与SiC基体不匹配。
2.2 反应烧结法
反应烧结法是目前国外报道最多、最为常见的SiC反射镜制备工艺。其基本原理如下: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。反应烧结具体工艺过程形式多样,其中最为简单的一种方法是:将SiC、C、成形剂3种粉末按一定比例混合均匀温压成形制成粗坯。成形剂为热固性树脂(如酚醛树脂),其特点是在一定温度下能完全转变为C,其余产物均为气体挥发掉,该过程称为炭化过程。粗坯在一定温度下炭化后制备出含SiC、C的多孔体,经过机械加工打开被封闭的孔隙,在真空炉中进行渗硅:采用Si粉包埋多孔体,在1600℃左右形成液态Si,液态Si在多孔体中孔隙的毛细作用下进入多孔体内,具有反应活性的液态Si与基体中的C反应直接生成SiC,生成的新SiC原位结合基体中的原有SiC颗粒,起到填充孔隙和结合的作用。抛光后采用化学气相沉积法制备SiC涂层,经过光学抛光制得反射镜片。其工艺过程如图2所示。对于反应烧结来说,研究渗硅机理、控制硅碳比很重要。
国外许多具有代表性的工艺过程如下[1]:(1)化学过滤工艺提纯SiC磨料。(2)将SiC磨料调成浆料,浇入模型中,通过型芯可以成形复杂形状,真空振
动使填充更均匀。(3)950℃预烧结成形,形成多孔结构并挥发去除型芯,得到所需形状。(4)在1550℃真空感应炉内,热解天然气或甲烷气体,使多孔结构SiC表面沉积碳。(5)通过化学或机械方法打开多孔SiC孔隙1550℃浸入Si中,在原来SiC磨料周围形成新的SiC层,同时Si填充了孔隙。(6)用传统的金刚石磨和数控抛光工艺加工出镜片。
John Casstevens等[20]采用POCO石墨转化工艺制造SiC镜片,也是采用反应烧结工艺。工艺过程如下:采用特殊的优质石墨粉,石墨晶粒和孔隙分布应很好控制,冷压成形获得粗坯。经过数控加工得到所需形状和结构,在高温下石墨与SiO2气体完全反应生成SiC,此时组织内包含约20%孔隙。浸入碳氢化合物热解后炭残留在孔隙内,在1300~1600℃范围内渗硅形成反应结合SiC,填充组织孔隙。最后化学气相沉积SiC,抛光后得到所需镜片。
反应烧结工艺的优点是:制备的SiC材料具有高密度和高性能,可以实现形状复杂产品的近净尺寸成形,样品在烧结过程中无收缩,工艺周期短,适于大量生产。然而,该工艺也有其缺点:石墨向SiC转化的过程中,SiO2蒸气渗入的深度在10 mm以内,限制了镜片的厚度。由于有SiC和残余Si等多相物质的存在,在加工时会出现空洞从而导致光学精度降低。所以,对于采用反应烧结制备的反射镜材料,需要在表面制备一层致密的SiC涂层,以提高其光学精度。
2.3 化学气相渗透法
化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)是制备C/SiC复合材料的常用方法,也能用于制备SiC材料,如美国Ul2tramet公司开发的泡沫SiC。对CVI工艺的研究,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)[21]。ORNL提出了压力2温度梯度CVI(FCV)工艺,从而大大缩短了沉积时间,由原来的500h减少到20 h,制备25 mm厚的Cf/SiC板材仅用了24 h。法国SEP从1969年就开始了对热结构复合材料的研究工作,1975年建立了第一条生产线,1979~1983年开展了碳2陶瓷和陶瓷2陶瓷复合材料的研究,并在波尔多建立了世界上最大的CVI工厂,1991年SEP建立了世界最大的沉积炉,热区直径达2.5 m,高3 m,使用温度达1200~1500℃。
CVI法制备SiC工艺的优点是:(1)可以在同一反应炉中同时致密不同大小形状的预制件;(2)能制备接近理论密度、高纯度的β2SiC,光学加工精度高,表面粗糙度可小于3!RMS;(3)β2SiC为面心立方结构,具有各向同性的性能,与CVD SiC涂层物理化学性质相同,具有很好的相容性,对基体几乎没有损伤,基体收缩率小;(4)CVI法工艺灵活,通过控制参数能制备梯度材料;(5)可实现近尺寸成形。
CVI工艺的缺点有:(1)随着渗透的进行孔隙越来越小,渗透速度变慢使材料致密度较低(存在10%~15%孔隙);(2)工艺过程非常缓慢,要获得高性能的材料需要较长的CVI时间,制备周期长,成本相对于反应烧结和热等静压法高。为了克服CVI周期长的缺点,除采用等温CVI外还采用热梯度法CVI、均热强制气流法、热梯度强制气流、脉冲气流法、微波法及激光法CVI等[22, 23]。
2.4 多孔泡沫SiC
反射镜轻量化技术除在反射镜背部开孔结构或网状夹层结构采用减重结构外,还包括基体采用多孔或泡沫结构。目前,多孔SiC材料已广泛应用于反射镜技术,美国Ultramet公司首先提出采用轻质开孔SiC泡沫结构作为反射镜基体,SiC泡沫在结构和质量上比传统的蜂窝结构和其它轻量化结构有更大的优势,反射镜采用SiC泡沫结构可以达到并超过现有的高质量玻璃、陶瓷以及金属反射镜,并能保持较低的密度,其密度仅为0·4 g/cm3。其工艺过程如下[24]: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SiC,其形貌如图3所示。
这种泡沫SiC与致密SiC材料相比,减重效果达60%~80%。最后通过改变SiC沉积速率和流场,在泡沫SiC外表面制备一层CVD SiC涂层作为反射镜表面,涂层厚度约0·5 mm。Ultramet公司先后制备出直径为100 mm(厚度12.7 mm,表面为平面,总质量81.9 g,面密度0·99 g/)、250 mm(边缘厚度15 mm,反射面曲率半径182 cm,总质量567.5 g, 1.1 g/)和450 mm(边缘厚度33 mm,反射面曲率半径182 cm,总质量3459.7 g,面密度2.1 g/)的三明治夹层结构的泡沫SiC反射镜,直径越小,面密度越低[25]。结构示意图如图4所示。
2.5 综合方法
通过比较以上几种SiC反射镜制备方法,各有其优缺点,反应烧结法和热压法制备的SiC材料致密度不高,光学加工精度低,但制备周期短,生产成本低,适于制备反射镜基体材料。CVI法制备的SiC材料接近理论密度,光学加工性能好,且各向同性,材料无收缩,可近尺寸成形,但制备周期长,成本高,适合用于反射镜基体增密和制备反射层。反应烧结法与热压法相比,更具有成本优势,虽然RBS SiC密度比HIP SiC低,但通过CVI增密可以实现基体的结构性能与涂层相近,而HIP SiC由于烧结添加剂的影响,CVD涂层易产生裂纹。因此,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。
3 结束语
碳化硅陶瓷具有弹性模量高、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,是目前轻型反射镜运用发展的重点。美国、德国、法国以及俄罗斯在制备大型SiC反射镜方面技术较为成熟。目前制备的直径最大的太空望远镜Herschel望远镜,其主镜是直径为3.5 m的SiC反射镜。美国下一代空间望远镜NGST(Next Generation Space Telescope)的主反射镜设计直径不小于8m。国内在SiC反射镜制备及光学加工研究方面起步较晚,离实际应用还有一定差距,制备的反射镜性能还需进一步提高和稳定。张宇民等[2]采用注浆成型和RB工艺制备出直径为120~650 mm的具有轻量化结构的反射镜,表面粗糙度达到3 nm RMS。对于SiC反射镜制备技术,制备小尺寸反射镜已有一定技术基础,但对于大尺寸反射镜,目前还有难度。
今后的研究工作应该着重于以下几个方面:进一步深入研究大尺寸反射镜的坯体制备工艺和CVD SiC沉积工艺,尽快掌握直径大于1m的反射镜的制备技术;SiC反射镜的轻量化和力学结构设计,发展背面封闭的轻量化设计,轻量化效率达到75%;建立SiC反射镜光学加工平台,研究反射镜的光学精密加工技术;开展SiC材料连接技术的研究,掌握大型全SiC光学系统的技术。
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作者简介：邓清:男,1981年生,博士研究生 肖鹏:通讯作者,男,教授,博导 Tel:073128830131 E2mail:xiaopeng@csu.edu.cn
