摘 要:比较了目前空间遥感相机中常用的四种反射镜镜体材料———ULE,Zerodur,铍(Be)和碳化硅(Sic)的各项性能。结果表明:SiC陶瓷具备比较明显的综合优势,是制备空间用反射镜的最佳候选材料。阐述了碳化硅反射镜镜坯的四种制备工艺。介绍了当前国内外碳化硅质轻型反射镜镜坯的发展情况。
1 引 言
为了提高空间望远镜、遥感侦察相机等大型光学遥感系统的分辨率,通常采用长焦距和大相对孔径的全反式或折反式光学系统。因此光学零件的直径越来越大,同时也增加了整个系统重量。随着系统量量的增加,复杂程度和发射成本也随之增加。折反式或全反式光学系统的主要光学零件是反射镜,因此减小主反射镜的重量成为大型光学遥感系统设计和制造的关键[1~3]。
目前大型光学遥感系统中使用的镜体材料主要有ULE,Zerodur,铍(Be)和碳化硅(SiC),其物理性质如表1所示。
(1) ULE。ULE即超低膨胀系数石英玻璃,是美国CorNIng公司研制开发的一种掺入7.5%TiO2的改性石英玻璃,它由SiCl4和TiCl4混合气体通过火焰水解技术生产而成。该石英玻璃密度小,可抛光性强,能通过焊接技术实现轻量化,是较理想的镜体材料,哈勃空间望远镜主反射镜就是ULE玻璃通过焊接技术制作而成的。但与普通优质石英玻璃相比,ULE中存在的化学组成不均匀会使其线膨胀系数呈微区分布不均。
(2) Zerodur。Zerodur是德国Schott公司生产的膨胀系数近似为零的微晶玻璃。它通过对LiO2-Al2O3-SiO2系统玻璃进行热处理,使其析出大量地具有负膨胀系数的微小晶相颗粒,从而使微晶玻璃整体膨胀系数达到或近似为零。用Zerodur玻璃制作轻型反射镜大多采用机械研磨法。上海新沪玻璃厂也生产出了具有相同性质的微晶玻璃。
(3) Be[4,5]。铍是一种金属材料,作为反射镜材料,其各项性能极佳,但最大的缺点就是其氧化物有剧烈的毒性。在制造和加工过程中,为了防止毒性给人带来的影响,需要采取一系列的防护措施,这无疑增加了制造成本。另外,铍的机械加工性能比较差,尽管nns(near net shape)HIP工艺和铍合金的出现大大降低了制造成本,但效果仍不十分理想,而且用铍作为反射镜的镜体材料,需在基面上镀镍磷合金作为抛光基面。
(4) SiC[6,7]。与玻璃材料和金属铍相比,碳化硅材料具有明显的综合优势,密度低、比刚度高、热膨胀系数小、导热性能良好、可得到极好的抛光表面,而且无毒、不需要特殊的设备,如图1所示。与其它材料相比,SiC是一种非常理想的空间遥感相机反射镜基体材料。
2 碳化硅质反射镜制备技术
碳化硅材料因制备工艺的不同可分为若干种,常用于反射镜镜坯的有热压烧结SiC(HP-SiC)、反应烧结SiC(RB-SiC),Sintered SiC(SSiC)和化学汽相沉积SiC(CVD-SiC)。以上几种SiC的物理性能见表2。
(1)热压烧结碳化硅(HP-SiC)。热压烧结SiC就是把微米级的碳化硅粉和助烧剂及阻止晶粒过分长大的添加剂混合,在一定的温度、压力和时间下进行烧结成型。这种方法是制备高密度、性能优异的SiC材料最有效的途径之一。热压烧结碳化硅镜坯具有致密程度好、抗弯强度高、材质均匀和加工性能良好等优点。它主要的局限性在于不能制成复杂形状的镜坯,因此限制了热压烧结SiC在轻型反射镜方面的应用。
(2)反应烧结碳化硅(RB-SiC)。反应烧结能够制备出近乎完全致密的碳化硅陶瓷。反映烧结碳化硅的制备工艺是:陶瓷先驱体中反应活性的碳与熔融硅反应生成新的碳化硅,新的碳化硅原位结合先驱体中原有的碳化硅颗粒,多余的硅填充气孔,最终形成100%致密的碳化硅坯体。反应烧结碳化硅通常含有10%~30%的游离硅。采用这种方法可以制备形状复杂轻量化程度高的大尺寸镜坯,而且收缩率小,仅为1%~2%,因此是一种净近尺寸(nearnet shape,nns)成型工艺。但在反应烧结碳化硅中含有游离硅,因此材料的均匀性能和光学加工性能较差。
(3) Sintered SiC(SSiC)。SSiC是把纯度较高的SiC粉和联结剂、助烧剂等均匀混合,在冷等净压下成型素坯,利用数控加工技术将素坯加工成所需要的形状,最终在2000℃左右的高温下烧结而成。这种方法是当今制备大尺寸轻型碳化硅反射镜坯最有效的手段,但SSiC的制备工艺复杂,收缩率大,一般达到了10%~20%,而且所需设备十分昂贵,制约了SSiC制备技术的发展。
(4)化学气相沉积碳化硅(CVD-SiC)。化学气相沉积碳化硅是在1200~1800℃的温度下,用H2或H2/Ar的混合气体作为载体,在SiC基体表面沉积热解生成的100%致密的β-SiC。CVD-SiC各向同性,而且可以得到良好的光学表面。但这种方法制备SiC速度非常缓慢,不能制备出适合轻量化的复杂形状,因此一般将CVD-SiC应用在SiC镜体的表面改性上。
3 国内外研究进展[8~33]
3.1 美国
美国的UTOS(United technologies of opticalsystem)从20世纪80年代初开始研究反应烧结碳化硅反射镜的制造技术,成功地研制出了一种较为成熟的注浆成型反应烧结SiC,即CERAFORMSiC。该工艺首先将1~10μm的SiC微粉与联结剂均匀混合配制成浆料,然后把浆料注入模具中用冷冻的方法使之固化,素坯的干燥工艺是在-100F(约-73℃)下进行的。在烧结坯体前使用消失模技术将芯模取出,然后将温度升到1650℃,使素坯成为多孔SiC。最后在1750℃的温度下渗入液态硅使坯体100%致密。采用这种工艺可以制成Φ1.2m、表面粗糙度RMS=1nm、面密度为10kg/m2的高度轻量化的碳化硅反射镜。1995年,Xinetics公司购买了此项技术,并加以发展,如今已能制作尺寸更大、质量更轻的碳化硅反射镜,并且利用CER-AFORM注浆工艺得到了具有各种不同形状的轻量化孔的后开口或后封闭的反射镜。
美国SSG(Science softw are croup)公司研制出了一系列可在光学工程上应用的碳化硅轻型反射镜。例如用于GOES(Geostationary operational envi-ronmental satellite)Φ500mm的轻量化扫描反射镜,重量不足16kg;Φ600mm的网格结构碳化硅主反射镜重量小于5.5kg。
POCO作为一个生产石墨的公司,主要制备商业用的小型SiC反射镜。POCO公司的SurperSiC制备工艺是:将POCO公司自己制造的特殊石墨成形为所需要的形状,然后将其完全转化为β-SiC,最终在镜坯表面沉积一层CVD-SiC,并对其进行加工得到光学表面。现已制备出了200mm×300mm,重0.993kg,面密度仅为18.7kg/m2的椭圆SurperSiC反射镜。
3.2 法国
BOOSTEC公司是法国生产碳化硅反射镜最有名的公司。该公司制成的欧洲HERSCHEL红外天文望远镜的主镜在目前所有空间望远镜中号称世界第一———直径为3.5m,而它的重量仅为250kg。相比之下,由ULE制成的直径为2.4m的哈勃望远镜主镜重829kg,如果用同样的玻璃制造HERSCHEL望远镜的主镜,质量将达到1500kg,采用碳化硅陶瓷材料让它的重量减轻了83%。
HERSCHEL望远镜的主镜由12片组成,光学镜面加工成薄薄的3mm,上面再覆一层350纳米的铝膜来增加反射率。该望远镜以57~670mm的红外和次毫米波扫描天际,探测星系和恒星的成因及外星系的水行星。
BOOSTEC公司生产的碳化硅反射镜为Sin-tered SiC。制备工艺是:首先将碳化硅微粉、有机粘结剂和烧结添加剂等混合造粒,然后经过冷等净压(压力为14000~20000t/m2)成型素坯,使用数控机床加工素坯,最后在2000℃左右烧结致密。利用该工艺研制的碳化硅陶瓷具有重量轻、机械和热稳定性好、容易打磨、适合自动化加工和不易被腐蚀等优点,完全能满足生产望远镜主镜的要求。
BOOSTEC公司为欧洲防务公司制造的第一个空间用陶瓷仪器是2004年3月发射的ROCSAT2彗星探测器上的分析仪器;第二个是台湾的华卫二号上的遥感仪器。现在该公司的订单源源不断,包括为HERSCHEL望远镜的主镜做备份和为欧洲另一颗卫星研制光学探测仪器。此外,BOOSTEC公司正在筹划制作下一代地面超大望远镜(Eextreme-ly lagre telescopes,ELT)的主镜,其尺寸为10 ~100m。
法国Alcatel SPACe与德国ECM联合研制了一种廉价的快速成型轻型碳化硅反射镜的新工艺———CeSiC。该工艺制备的是碳纤维增强碳化硅陶瓷。首先将碳化硅纤维与树脂均匀混合制成素坯,素坯经过高温处理使树脂碳化,然后加工成为所需要的轻量化形状,最终渗硅将碳转化为碳化硅。该工艺的特点是能在渗硅之前把几块碳素坯通过树脂粘结起来,因此能够制备出后部半封闭或全封闭的大尺寸轻型结构。利用CeSiC工艺现已制备出了米级的碳化硅反射镜,而且该工艺没有特殊要求,仅仅受到烧结炉尺寸的限制,制备更大尺寸的轻型反射镜也只是资金和时间问题。
3.3 俄罗斯
俄罗斯的Vavilov空间光学研究院研制的SiCaR是由反应烧结法制备的Si/SiC两项陶瓷材料。由该技术制作的碳化硅材料可直接抛光到1.0~2.0nm(RMS值)的表面粗糙度及λ/25的面形精度(RMS值),目前该研究院已具备制作Ф1500mm反射镜镜体的技术实力。
3.4 日 本
日本YOKOHAMA公司研制了一种大尺寸、高抗弯强度的碳化硅反射镜,即NT-SiC(New-technol-ogy silicon carbide)。首先将SiC微粉与碳黑均匀混合,通过冷等净压成型,然后在数控机床上将其加工成所需要的形状和尺寸,最终经过渗硅工艺使坯体中的碳转化为碳化硅,残余硅填充气孔使之结构致密。NT-SiC的抗弯强度达到了800Mpa,其力学性能是非常优异的。YOKOHAMA现已制备出了Φ500mm的NT-SiC镜体。
3.5 中 国
目前国内参与大尺寸轻型SiC反射镜研究的单位主要有:中国科学院上海硅酸盐研究所,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和哈尔滨工业大学等。
上海硅酸盐研究所从20世纪90年代中期开始研究碳化硅反射镜,其制备的是无压烧结碳化硅,工艺与SSiC相似,目前已经制备出直径为240mm的碳化硅反射镜,轻量化率为62%,经初步光学加工后PV值接近λ/10,Ra接近于λ/40 (λ= 632.8nm),具有良好的镜面质量[34]。
中科院长春光学精密机械与物理研究所主要采用类似于美国的CERAFORM成型技术制备反应烧结SiC,该所制备的100mm口径的RB-SiC平面反射镜和250mm口径的RB-SiC球面反射镜的面形精度分别为0.030λ(RMS值)和0.037λ(RMS值)(λ=632.8nm),表面粗糙度分别达到了1.14nm(RMS值)和1.92nm(RMS值)。据报道,该所目前已制备出直径为500mm的对称夹心结构轻型SiC反射镜坯[35]。
哈尔滨工业大学与长春光机所制备的都是反应烧结碳化硅。主要采用注浆成型和反应烧结工艺制备反射镜,该轻量化结构的反射镜直径从120mm至650mm,轻量化效率超过了70%,面形精度<0·1Kp-v(K=632.8nm),表面粗糙度可达到3nm(RMS值),且已有能力制备米级镜坯[36]。除了上述几家研制单位外,国防科技大学、中科院西安光机所、中科院光电技术研究所也都在对轻质碳化硅反射镜进行研究,并已取得了一定的进展。但由于我国在该领域的研究起步较晚,因此工艺都不是十分成熟。
4 结 论
碳化硅作为一种新型的反射镜材料,拥有其它传统材料不具备的诸多优势,被广泛的应用于空间光学系统中。世界各国对SiC反射镜的制备和焊接技术进行了大量的研究,积累了丰富的经验,并取得了一定的成果,已经可以制备出直径为3.5m的SiC反射镜。而国内在该领域的研究起步较晚,技术还不成熟,存在许多困难,急需在此领域对其进行深入的研究。
随着大型光学遥感系统的不断发展,必然要求具有越来越大尺寸的碳化硅镜体,因此研制大尺寸轻型碳化硅反射镜坯体的制备技术和设备,向1m光学级方向发展将成为大型空间光学系统发展的关键。
由于大尺寸碳化硅轻质反射镜镜坯的各种制备方法都受到一定的限制,单块镜坯尺寸不可能无限制的做大,因此在研究其制备技术时还应对镜坯的焊接工艺进行深入研究,只有这样才能将镜坯的尺寸做得更大,从而满足大型空间光学系统发展的需求。
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收稿日期:2006-05-22;收到修改稿日期:2006-09-05 E-mail:tangyuxia@ctbu.edu.cn
作者简介:唐裕霞(1977-),女,重庆市人,重庆工商大学理学院讲师,硕士,主要从事光电材料与器件的研究。
