中國(guó)粉體網(wǎng)訊 自伽利略制造了世界上第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，將人類視力首次延伸到了土星的光環(huán)以來(lái)，人們不斷地改進(jìn)光學(xué)儀器，鏡頭口徑越來(lái)越大，以期能看的更遠(yuǎn)、更清晰，同時(shí)成像方式也從伽利略望遠(yuǎn)鏡的折射式演變?yōu)榉瓷涫�。逐漸地，人們不滿足于受大氣影響的地面觀測(cè)，將天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到外空間形成空間望遠(yuǎn)鏡，1990年升空的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，將人類視野延伸到數(shù)十億光年之外的深邃空間。
太空中的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡
空間望遠(yuǎn)鏡是人類研究探索宇宙的最重要最直接的工具，它的發(fā)展關(guān)系到人類對(duì)宇宙研究的速度和進(jìn)程，是人類發(fā)展進(jìn)步，認(rèn)識(shí)自然界的一個(gè)重要科學(xué)手段。相比地基望遠(yuǎn)鏡它具有良好的觀測(cè)環(huán)境和觀測(cè)條件，受到天文學(xué)家的青睞。大口徑空間反射鏡是空間望遠(yuǎn)鏡的最重要的組成部分，也是制約空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。開(kāi)展大口徑的空間反射鏡的設(shè)計(jì)及制造研究，可以解決空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的重大技術(shù)瓶頸問(wèn)題，促進(jìn)我國(guó)空間科學(xué)事業(yè)的發(fā)展，是一項(xiàng)有重大意義的研究工作。
反射鏡如此重要，該用什么材料來(lái)做呢？從最初的折射式鏡頭的光學(xué)玻璃，到第一代反射式鏡片的鋁合金、銅合金，再到第二代的金屬鈹、ULE、Zerodur，這些材料在力熱性能上或多或少存在短板，后來(lái)西方發(fā)達(dá)國(guó)家把目光投向具有優(yōu)異綜合性能的碳化硅陶瓷。
反射鏡光學(xué)材料性能要求
（1）高的機(jī)械強(qiáng)度可避免鏡體的機(jī)械變形，因此要求材料具備盡可能高的彈性模量、比剛度及盡可能小的泊松比。
（2）良好的熱性能可避免溫度變化引起的熱變形，所以，反射鏡基體材料應(yīng)具備較小的熱膨脹系數(shù)和盡可能大的導(dǎo)熱系數(shù)。
（3）可加工性。要求反射鏡基體材料通過(guò)光學(xué)拋光，可獲得優(yōu)秀的表面粗糙度。
（4）高的化學(xué)穩(wěn)定性。在加工過(guò)程中，或者長(zhǎng)期保存在自然環(huán)境下，材料不被水汽或其他氣氛侵蝕，以確保光學(xué)鏡面的質(zhì)量不受損害。
（5）反射鏡基體材料必須具備高度的均勻性。這種均勻性包括密度、機(jī)械性質(zhì)及熱性質(zhì)。任何一方面的不均勻性都將對(duì)反射鏡的加工及使用帶來(lái)嚴(yán)重影響。
（6）其他要求，例如低制造成本、無(wú)毒及環(huán)境友好等。
2m量級(jí)碳化硅反射鏡
幾種反射鏡材料的對(duì)比分析
目前，反射鏡材料主要包括玻璃材料、低膨脹金屬材料、陶瓷材料以及復(fù)合材料等。玻璃材料是第一代反射鏡材料，常用的有ULE和Zerodur等。玻璃材料的熱膨脹系數(shù)很低，且光學(xué)加工性能優(yōu)良，但玻璃材料的熱導(dǎo)率低，比剛度較差。
第二代反射鏡材料是低膨脹金屬材料，主要包括Al和Be等，金屬材料的導(dǎo)熱性能優(yōu)良，但熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大，其面形精度容易受溫度影響。同時(shí)Al的比剛度低，而金屬Be雖然比剛度較高但有毒，對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生致命損害，因此，在生產(chǎn)過(guò)程中需要有嚴(yán)格的安全措施。
碳化硅材料屬于第三代反射鏡材料。該材料化學(xué)穩(wěn)定性好、耐空間粒子輻照性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)低、彈性模量高，且具有較好的導(dǎo)熱性能。
常見(jiàn)反射鏡材料性能對(duì)比
從表中可以看出碳化硅材料具有最高的剛度，良好的導(dǎo)熱性，較低的線膨脹系數(shù)，且可以制造大尺寸的鏡坯，隨著碳化硅材料在鏡坯制造、改性、光學(xué)加工、鍍膜等完整的光學(xué)零件加工工藝方法上逐漸成熟，在大口徑的空間光學(xué)系統(tǒng)中尤為受到青睞。
碳化硅反射鏡的燒結(jié)工藝
SiC陶瓷材料的制備工藝方式主要有：熱壓燒結(jié)工藝、反應(yīng)燒結(jié)工藝、常壓燒結(jié)工藝和化學(xué)氣相沉積工藝（CVD）。其中熱壓燒結(jié)工藝由于工藝過(guò)程的限制，不適合制備形狀復(fù)雜的反射鏡鏡坯；常壓燒結(jié)工藝燒結(jié)過(guò)程鏡坯的收縮率達(dá)到10%~15%，這種工藝對(duì)于制備精密尺寸的近凈尺寸成型不利。
CVD技術(shù)制備SiC質(zhì)反射鏡，是將含有硅源（SiCl４）和碳源（CXHY）的氣體共同導(dǎo)入反應(yīng)爐，合成SiC后沉積在基板上。采用該工藝制備的鏡體質(zhì)量最好，但成本也最高，只有在特殊的情況下應(yīng)用該技術(shù)。
反應(yīng)燒結(jié)工藝可以制備大尺寸、形狀復(fù)雜的SiC反射鏡鏡坯，并且反應(yīng)燒結(jié)的制備溫度相對(duì)較低、燒結(jié)時(shí)間周期短、鏡坯制造成本低、燒結(jié)完成的結(jié)構(gòu)致密，機(jī)械綜合性能、熱特性較優(yōu)，符合超大口徑反射鏡的應(yīng)用要求。
不同燒結(jié)工藝的SiC材料性能
世界上最大口徑的碳化硅反射鏡
中科院長(zhǎng)春光機(jī)所根據(jù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和碳化硅陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)，于二十世紀(jì)末開(kāi)始開(kāi)展碳化硅反射鏡制備技術(shù)的研究。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人趙文興研究員帶領(lǐng)項(xiàng)目組歷經(jīng)十余年的刻苦攻關(guān)，突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷預(yù)置體成型、素坯連接、致密化反應(yīng)燒結(jié)等核心技術(shù)，先后研制出0.5~2m量級(jí)碳化硅反射鏡，并成功應(yīng)用于商用遙感、“天問(wèn)一號(hào)”有效載荷、“高分”等型號(hào)任務(wù)。
4m量級(jí)碳化硅反射鏡
為了進(jìn)一步擴(kuò)大技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，項(xiàng)目組于2009年提出了4m量級(jí)碳化硅反射鏡的研究目標(biāo)，在其后八年時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了數(shù)百次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和四次燒結(jié)試驗(yàn)的失敗，最終于2016年3月成功研制出第五塊鏡坯，成為世界上最大口徑的碳化硅反射鏡，鏡坯直徑達(dá)4.03m，重量1.7t。該鏡坯于2018年完成光學(xué)加工和鍍膜，其面形精度值和反射率等指標(biāo)完全滿足用戶要求，目前已應(yīng)用于工程項(xiàng)目。4m量級(jí)碳化硅反射鏡的成功研制，打破了國(guó)外壟斷，標(biāo)志著我國(guó)大口徑光學(xué)制造技術(shù)躋身國(guó)際先進(jìn)行列，進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)新型光學(xué)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。
參考來(lái)源：
[1]郭疆.碳化硅大口徑空間反射鏡設(shè)計(jì)與制造研究
[2]光之眼———碳化硅反射鏡.硅酸鹽通報(bào)
[3]張巍等.纖維增強(qiáng)碳化硅及其在光學(xué)反射鏡中的應(yīng)用
[4]趙文興等.輕型碳化硅質(zhì)反射鏡坯體的制造工藝
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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