中國粉體網(wǎng)訊 自伽利略制造了世界上第一臺天文望遠鏡，將人類視力首次延伸到了土星的光環(huán)以來，人們不斷地改進光學儀器，鏡頭口徑越來越大，以期能看的更遠、更清晰，同時成像方式也從伽利略望遠鏡的折射式演變?yōu)榉瓷涫�。逐漸地，人們不滿足于受大氣影響的地面觀測，將天文望遠鏡發(fā)射到外空間形成空間望遠鏡，1990年升空的哈勃太空望遠鏡，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鏡
空間望遠鏡是人類研究探索宇宙的最重要最直接的工具，它的發(fā)展關系到人類對宇宙研究的速度和進程，是人類發(fā)展進步，認識自然界的一個重要科學手段。相比地基望遠鏡它具有良好的觀測環(huán)境和觀測條件，受到天文學家的青睞。大口徑空間反射鏡是空間望遠鏡的最重要的組成部分，也是制約空間望遠鏡發(fā)展的一個關鍵因素。開展大口徑的空間反射鏡的設計及制造研究，可以解決空間望遠鏡技術的重大技術瓶頸問題，促進我國空間科學事業(yè)的發(fā)展，是一項有重大意義的研究工作。
反射鏡如此重要，該用什么材料來做呢？從最初的折射式鏡頭的光學玻璃，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，后來西方發(fā)達國家把目光投向具有優(yōu)異綜合性能的碳化硅陶瓷。
反射鏡光學材料性能要求
（1）高的機械強度可避免鏡體的機械變形，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，反射鏡基體材料應具備較小的熱膨脹系數(shù)和盡可能大的導熱系數(shù)。
（3）可加工性。要求反射鏡基體材料通過光學拋光，可獲得優(yōu)秀的表面粗糙度。
（4）高的化學穩(wěn)定性。在加工過程中，或者長期保存在自然環(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、機械性質(zhì)及熱性質(zhì)。任何一方面的不均勻性都將對反射鏡的加工及使用帶來嚴重影響。
（6）其他要求，例如低制造成本、無毒及環(huán)境友好等。
2m量級碳化硅反射鏡
幾種反射鏡材料的對比分析
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，且光學加工性能優(yōu)良，但玻璃材料的熱導率低，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，金屬材料的導熱性能優(yōu)良，但熱膨脹系數(shù)相對較大，其面形精度容易受溫度影響。同時Al的比剛度低，而金屬Be雖然比剛度較高但有毒，對人體會產(chǎn)生致命損害，因此，在生產(chǎn)過程中需要有嚴格的安全措施。
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，且具有較好的導熱性能。
常見反射鏡材料性能對比
從表中可以看出碳化硅材料具有最高的剛度，良好的導熱性，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、光學加工、鍍膜等完整的光學零件加工工藝方法上逐漸成熟，在大口徑的空間光學系統(tǒng)中尤為受到青睞。
碳化硅反射鏡的燒結工藝
SiC陶瓷材料的制備工藝方式主要有：熱壓燒結工藝、反應燒結工藝、常壓燒結工藝和化學氣相沉積工藝（CVD）。其中熱壓燒結工藝由于工藝過程的限制，不適合制備形狀復雜的反射鏡鏡坯；常壓燒結工藝燒結過程鏡坯的收縮率達到10%~15%，這種工藝對于制備精密尺寸的近凈尺寸成型不利。
CVD技術制備SiC質(zhì)反射鏡，是將含有硅源（SiCl４）和碳源（CXHY）的氣體共同導入反應爐，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用該技術。
反應燒結工藝可以制備大尺寸、形狀復雜的SiC反射鏡鏡坯，并且反應燒結的制備溫度相對較低、燒結時間周期短、鏡坯制造成本低、燒結完成的結構致密，機械綜合性能、熱特性較優(yōu)，符合超大口徑反射鏡的應用要求。
不同燒結工藝的SiC材料性能
世界上最大口徑的碳化硅反射鏡
中科院長春光機所根據(jù)國家重大戰(zhàn)略需求和碳化硅陶瓷材料的發(fā)展趨勢，于二十世紀末開始開展碳化硅反射鏡制備技術的研究。團隊創(chuàng)始人趙文興研究員帶領項目組歷經(jīng)十余年的刻苦攻關，突破了復雜結構碳化硅陶瓷預置體成型、素坯連接、致密化反應燒結等核心技術，先后研制出0.5~2m量級碳化硅反射鏡，并成功應用于商用遙感、“天問一號”有效載荷、“高分”等型號任務。
4m量級碳化硅反射鏡
為了進一步擴大技術領先優(yōu)勢，項目組于2009年提出了4m量級碳化硅反射鏡的研究目標，在其后八年時間里，研究團隊經(jīng)歷了數(shù)百次實驗驗證和四次燒結試驗的失敗，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4.03m，重量1.7t。該鏡坯于2018年完成光學加工和鍍膜，其面形精度值和反射率等指標完全滿足用戶要求，目前已應用于工程項目。4m量級碳化硅反射鏡的成功研制，打破了國外壟斷，標志著我國大口徑光學制造技術躋身國際先進行列，進一步鞏固了我國在光學系統(tǒng)先進制造領域的領先優(yōu)勢，推動我國新型光學遙感技術實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
參考來源：
[1]郭疆.碳化硅大口徑空間反射鏡設計與制造研究
[2]光之眼———碳化硅反射鏡.硅酸鹽通報
[3]張巍等.纖維增強碳化硅及其在光學反射鏡中的應用
[4]趙文興等.輕型碳化硅質(zhì)反射鏡坯體的制造工藝
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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