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邹小(xiao)姐：13326633089 -
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400多年(nian)前(qian)，伽利(li)略发明了第一台光学望远镜，将(jiang)遥远的星空(kong)拉近到目之所及，同时也开启了人(ren)类利(li)用光学仪(yi)器的科学探索之路。
正在建造的欧洲极大(da)望远镜，它被(bei)誉为“地球望向天空的最大的眼睛”
说(shuo)到(dao)(dao)光(guang)(guang)学(xue)望(wang)(wang)远(yuan)(yuan)镜(jing)，顾名(ming)思义，它是利用可(ke)见光(guang)(guang)完成(cheng)成(cheng)像的(de)，目前的(de)光(guang)(guang)学(xue)望(wang)(wang)远(yuan)(yuan)镜(jing)有反射式和折(zhe)射式两种，而现代大型(xing)的(de)光(guang)(guang)学(xue)望(wang)(wang)远(yuan)(yuan)镜(jing)系统均采(cai)用反射式结(jie)构(gou)，因为反射式望(wang)(wang)远(yuan)(yuan)镜(jing)没(mei)有色差的(de)困(kun)扰，可(ke)实现紫外线到(dao)(dao)红外线的(de)大范围观测。如果(guo)把大型(xing)光(guang)(guang)学(xue)望(wang)(wang)远(yuan)(yuan)镜(jing)比作人类的(de)“千里眼”，那么主(zhu)反(fan)射镜(jing)就是这只“千里眼”的核心部件——“角膜”。
国际上常用的反射镜(jing)基体材料有石英玻(bo)璃、微晶玻(bo)璃、碳(tan)化硅、金属铍，以(yi)及碳(tan)纤维/碳化硅复合材料等。与其他材料相比，碳化硅(SiC)具有(you)更大的比刚(gang)度(du)（E/ρ）和热稳定性(λ/α)，这使得在实现同样的光学口径和精度要求下，碳化硅反射镜具有更小的重量、更优的热稳定性。
完美倒映出(chu)帅气(qi)面容(rong)的4米量(liang)级碳化硅(gui)反射镜
有关资料表明(ming)，碳化(hua)硅(gui)质反射镜与微晶(jing)玻璃镜体相(xiang)比，其轻(qing)量化(hua)程(cheng)度(du)大于70%，重量减轻近一半，面形变化比微晶玻璃小1倍，且可进一步进行优化。因此碳化硅也成为大口径反射镜镜坯材料中的佼佼者——如2018年7月时，中国科学院长春光学精密器械与物理研究所就完成了4.03米大口径碳化硅反射镜研制，是当时世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。
表 碳化(hua)硅材料与(yu)其他常(chang)用光学材料的主要物理性质
碳化硅(gui)反射镜的(de)制作难点(dian)
随着技(ji)术发展，碳化硅反射(she)镜(jing)的(de)应用领(ling)域正在(zai)不断扩大，在(zai)空间(jian)对地(di)观测、深空探测、天文观测和(he)量子通讯(xun)等(deng)方面都能看(kan)到它的(de)身影。
但是(shi)，这些高(gao)性能空(kong)间光(guang)学元件往往会(hui)要求具有超光(guang)滑表面(mian)（表面(mian)粗糙度<1nm RMS），因此碳化硅材料在反射镜应用方面主要面临以下两方面困难：一方面，由于SiC材料比刚度大，化学稳定性高，很难通过机械力抛光的方法直接获得高质量的SiC光学镜面；另一方面，非常难以直接制备完全致密的SiC材料，残留的气孔等缺陷会影响光学加工质量，最终影响镜面质量。不过(guo)令(ling)人意外(wai)的是(shi)，后者的影响其实远比前(qian)者要小。
曾有科(ke)学(xue)(xue)家研究过密度(du)对(dui)(dui)对(dui)(dui)光(guang)学(xue)(xue)镜面(mian)加工质量的影(ying)响，初(chu)步研究结果如下(xia)图所示，在相同加工工艺(yi)条件下(xia)，碳(tan)化(hua)硅(gui)陶(tao)(tao)瓷(ci)密度(du)对(dui)(dui)光(guang)学(xue)(xue)镜面(mian)加工质量确实有一定(ding)影(ying)响。当采用(yong)一定(ding)粒度(du)的金刚(gang)石抛光(guang)液对(dui)(dui)碳(tan)化(hua)硅(gui)陶(tao)(tao)瓷(ci)试样进行光(guang)学(xue)(xue)镜面(mian)加工时，低(di)(di)密度(du)的碳(tan)化(hua)硅(gui)陶(tao)(tao)瓷(ci)光(guang)学(xue)(xue)镜面(mian)加工后表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)较高(gao)，高(gao)密度(du)的碳(tan)化(hua)硅(gui)陶(tao)(tao)瓷(ci)光(guang)学(xue)(xue)镜面(mian)加工后表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)较低(di)(di)。
碳化硅(gui)密度对(dui)光(guang)学镜(jing)面加工质(zhi)量的(de)影响
通过光(guang)学显(xian)微(wei)镜观察，碳(tan)化硅(gui)陶(tao)瓷光(guang)学镜面(mian)加(jia)工后表(biao)面(mian)缺陷(xian)主要表(biao)现(xian)为气孔或缺陷(xian)，密度(du)较高(gao)的(de)碳(tan)化硅(gui)陶(tao)瓷试样光(guang)学镜面(mian)加(jia)工后，表(biao)面(mian)气孔或缺陷(xian)更(geng)(geng)少，表(biao)面(mian)质(zhi)(zhi)量更(geng)(geng)好。另外，降低磨粒(li)尺寸有利于表(biao)面(mian)质(zhi)(zhi)量的(de)提高(gao)。
如上所述，碳化硅陶瓷密度对光(guang)学镜面加工质量有一定影响(xiang)，但由图(tu)可知，在一定密度范围内（3.09～3.13 g·cm³），光学镜面加工质量差别不大，若进一步改善加工工艺，采用粒度更小的抛光液对碳化硅陶瓷试样进行光学镜面加工后，均可得到较好的表面质量。这说明，当碳化硅陶(tao)瓷密度(du)达到一定高(gao)度(du)时，密度(du)对光(guang)学镜(jing)(jing)面(mian)加工(gong)(gong)质(zhi)量的影响可通过光(guang)学镜(jing)(jing)面(mian)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)艺的优(you)化而减(jian)小或消(xiao)除，即影响碳化硅陶(tao)瓷光学(xue)镜(jing)面(mian)加工质(zhi)量的主要因素(su)表(biao)现为加工工艺(yi)参数(shu)，而密(mi)度对光学(xue)镜(jing)面(mian)加工质(zhi)量的影响则可以(yi)忽略。
因此综合来看，为使SiC材料具有超光滑表面以满足光学应用要求，目前常用的解决办法主要是：对SiC材料进行表面改性，其方式为在SiC镜体光学表面镀致密化涂层，然后对涂层进行抛光。
碳化(hua)硅(gui)反(fan)射(she)镜的制备与加(jia)工(gong)
把一块(kuai)粗糙的(de)、灰黑的(de)碳化(hua)硅陶瓷块(kuai)镜坯打造为光可(ke)鉴(jian)人(ren)的(de)反射镜，变化(hua)之(zhi)大完(wan)全不亚于(yu)丑小鸭变天(tian)鹅，具体的(de)制(zhi)备流程可(ke)看下(xia)图。如何在得到较高表面质量的(de)同时(shi)实现快(kuai)速加(jia)工，则(ze)是材料学界一直(zhi)以(yi)来的(de)研究(jiu)重点。
大口径反射镜制造(zao)流(liu)程
1.镜(jing)坯的制造(zao)
制备SiC反射镜坯(pi)的工艺有许(xu)多种(zhong)，除了(le)热(re)压烧(shao)结(jie)(jie)、气(qi)相沉积外(wai)，最有应用价值的是反应烧(shao)结(jie)(jie)法，具有成本低和可实(shi)现净尺(chi)寸烧(shao)结(jie)(jie)等优点。
反应烧结(jie)法流程为(wei)：利(li)用SiC粉制得所需形状的坯体，然后将该坯体在Si气氛下烧结。整个工艺中关键点有以下几个：①烧结体中尽可能少气孔和裂纹；③坯体具有轻量化结构。
2.铣磨粗(cu)抛
刚(gang)烧结出的(de)碳化(hua)硅反(fan)射镜坯必(bi)然是粗糙无比(bi)，因此它还需要研磨(mo)加工才能(neng)进一步接(jie)近镜子的形象，首(shou)先要做的就是粗磨(mo)。粗磨(mo)方法有两种(zhong)，一种是通过金刚石车(che)床(chuang)进(jin)行加工；另一(yi)种是研(yan)磨法。
用金刚石(shi)车床进行(xing)粗磨具有(you)速度快的(de)优点，但(dan)由于加工过程中产生(sheng)的应力很(hen)大，金刚(gang)石(shi)刀头会在光学面上留下较深的(de)划痕(hen)和(he)破坏层。这些划痕(hen)和(he)破坏层为细磨和(he)抛光带来较大的(de)困难，所以这种方法(fa)较少采用。在采用研(yan)磨法(fa)时(shi)，磨(mo)具(ju)一般采用铸(zhu)铁盘或碳化硅盘，粗磨磨料一般(ban)是采用粒径在100~200μm之间的碳化硅粉或碳化硼粉。碳化硅粉价格便宜，但硬度差，加工效率低；而碳化硼粉价格较贵，但硬度高，加工效率高。粗磨后，工件光学面面形精度的RMS应低于20μm。
毛坯经初步铣磨后的表面状态
3.表面改性
由于镜坯粗磨(mo)后其(qi)表面粗糙度仍会较(jiao)(jiao)高，这种情况必(bi)然会产生(sheng)较(jiao)(jiao)强的散射(she)(she)效应，降低光(guang)学表面的反射(she)(she)率(lv)，使(shi)整(zheng)个光(guang)学系统无(wu)法(fa)实现较(jiao)(jiao)高的成像质量。因此(ci)，为保证反射(she)(she)镜在空间光(guang)学成像系统的正常运作，必(bi)须提高其(qi)反射(she)(she)率(lv)，而(er)表面改(gai)性(xing)即是解(jie)决这一问(wen)题的主要手段。
碳化硅材料(liao)表面(mian)改性主要是在其表面(mian)镀(du)致密(mi)化涂层，以改善碳(tan)化硅材料的可(ke)加工性能及覆盖其表面缺陷。表面涂层技术是(shi)在严(yan)格的温度(du)条件下进行的复杂化学(xue)物(wu)理反应(ying)，在表面致密化涂层(ceng)过程中，必须考虑如下(xia)因(yin)素：涂(tu)层与碳化硅基体之间(jian)有较(jiao)好的结合强度(du)；涂(tu)层和碳化硅基体的热膨胀(zhang)系数要(yao)相匹配(pei)；涂层具备(bei)必(bi)要的硬度和抗化学腐蚀性(xing)能；不发生涂层(ceng)再结晶化过程等。目前比较成熟的碳化(hua)硅表面致密化(hua)涂层(ceng)技术有化(hua)学气相(xiang)沉积碳化(hua)硅（CVD SiC）和物理气相沉积硅（PVD Si）等。
碳化硅表(biao)面(mian)改性前(qian)后散射(she)性能对比
4.精密抛光与(yu)镀膜(mo)
经过表面改(gai)性后，有了涂层的SiC反射镜与之前相比呈现出更少的表面缺陷。不过这还不够，合格的(de)反射(she)镜还需要(yao)在(zai)改(gai)性层(ceng)基(ji)础上进(jin)行精抛(pao)光(guang)，这种方式可以大幅改(gai)善光(guang)线在(zai)反(fan)射镜(jing)表(biao)面(mian)的(de)散(san)射。最终可以使反(fan)射镜(jing)的(de)反(fan)射率达到95%以上。
这一步骤的(de)抛(pao)光技(ji)(ji)术主要采用反应接(jie)触式光学加工技(ji)(ji)术和(he)非接(jie)触式光学加工技(ji)(ji)术，前(qian)者包括(kuo)化学机械抛(pao)光、磁流变(bian)抛(pao)光技(ji)(ji)术（长春光机所(suo)的(de)4米量级碳化硅反射镜就使用了这种抛光工艺）等；后者则包括浮法抛光等。与传统机械抛光工艺相比，这些工艺在抛光过程中磨料与试样表面的作用更轻柔，抛光后材料的次表面破坏层更少，表面残余应力较小，加工效果较好，且无磨具磨损，标准面几乎无变化，可重复获得精密的工件表面。
磁流变抛光
不过(guo)这还(hai)没完，可别(bie)忘记(ji)表面(mian)还需涂覆银反射膜和防(fang)氧化膜才能算大功告成(cheng)。就(jiu)这样，碳化(hua)硅陶瓷(ci)就(jiu)能华(hua)丽变身，成(cheng)为“光彩照人”的反(fan)射镜啦！
资料(liao)来源：
碳化硅(gui)表面(mian)改性(xing)和光学镜面(mian)加(jia)工(gong)的研究(jiu)现状，刘(liu)桂玲，黄(huang)政(zheng)仁，刘学建，董绍明，江东亮。
碳(tan)化硅(gui)光学镜面加工，范摘，张(zhang)忠玉，牛海燕(yan)，丰玉琴，张学军。
碳(tan)化硅陶瓷(ci)密度对(dui)光(guang)学(xue)镜面(mian)加工质量的影响，刘桂玲，黄政仁，陈健，刘(liu)学建(jian)，江东亮(liang)。
且说“千里眼”的“角膜”，中国科学院长春光学精密机(ji)械(xie)与物理(li)研究所。
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