-
邹小姐：13326633089 -
-
cac_sales@sina.com 
“登(deng)高望远(yuan)(yuan)”是(shi)(shi)从古至今(jin)都很(hen)常用的(de)一个成语，直(zhi)译就是(shi)(shi)登(deng)上高处(chu)，看得更远(yuan)(yuan)。不(bu)过在21世纪(ji)的(de)今(jin)天(tian)，人类的(de)眼界早已越过高山，直(zhi)达宇宙。因此，对地观(guan)测、深空(kong)探测等领域(yu)迅速发展了起来(lai)。
要望那么远，就离(li)(li)不开远距离(li)(li)多(duo)光谱光学(xue)系统，其中(zhong)“大尺寸光(guang)学反射(she)镜(jing)”会起到不(bu)可或缺的作用(yong)，在国防应(ying)用(yong)、监控和监测以(yi)及部(bu)分(fen)商业应(ying)用(yong)都能看(kan)到它的身(shen)影。例如，大尺寸光学反射(she)镜最(zui)常见(jian)的应(ying)用(yong)是(shi)航空航天行(xing)业，常用(yong)于(yu)卫星(xing)和望远(yuan)镜。另外大尺寸光学反射(she)镜也(ye)可以(yi)集成到飞行(xing)器的光学系(xi)统中，如大型无人机系(xi)统。最(zui)后，利用(yong)红外线对农田温度进行(xing)远(yuan)距(ju)离空中监测也(ye)是(shi)一项有趣的商业应(ying)用(yong)。
一、光学反射镜的制备(bei)要(yao)求
之所以要用到(dao)大尺(chi)寸光学反射(she)镜，是因为增加光学反射镜坯的口径是有效增加光电成像系统分辨率及探测能力(li)的重要方法之一。然而，光(guang)电载荷对于重(zhong)量有严格限制，此外，用(yong)材必须能确保系统(tong)可在复杂的(de)环境(jing)下正常(chang)工作(zuo)。
因此，对于大(da)口径光学反射镜而言，其材(cai)料的选择与制(zhi)备(bei)都必须满足极为(wei)严苛(ke)的要求(qiu)。具体如下：
①选择低(di)密度轻量化(hua)材料，其一(yi)方面(mian)能够满足空间遥感相机(ji)对载(zai)荷提(ti)出的低(di)重(zhong)量要求，可(ke)以(yi)(yi)减少卫星发(fa)射(she)成本，另一(yi)方面(mian)可(ke)以(yi)(yi)减轻地(di)基(ji)望远(yuan)镜由于自重(zhong)引起的镜面(mian)变形。
②具(ju)备高比刚(gang)度及(ji)优异的(de)综合(he)力学性能(neng)。高比刚(gang)度能(neng)够避(bi)免反(fan)射镜自(zi)重、装配应(ying)力及(ji)卫星发(fa)射段的(de)冲(chong)击(ji)振动等对镜面造(zao)成的(de)影响(xiang)，同时高的(de)断裂韧性也有利于实现光机功能(neng)一体化，减少由(you)于支撑部件与反(fan)射镜材料性能(neng)不匹配造(zao)成的(de)应(ying)力积聚。
③具(ju)有良好的(de)热(re)(re)稳(wen)定性。空间相机及地基望(wang)远镜的(de)服役(yi)温度环境(jing)恶劣(lie)，材料的(de)导热(re)(re)性能好、热(re)(re)膨胀系数低，能减(jian)少反射镜热(re)(re)畸变(bian)，保证光电成(cheng)像(xiang)系统的(de)成(cheng)像(xiang)质量。
④耐空间粒子辐照，可(ke)延长空间反(fan)射镜材料(liao)的使用寿命(ming)。
⑤材料(liao)的加(jia)工(gong)及制备成本低。
二(er)、反射镜(jing)材料的选择
目前，反射镜材(cai)料(liao)主要包(bao)括玻璃材(cai)料(liao)、低膨胀金(jin)属材(cai)料(liao)、陶(tao)瓷材(cai)料(liao)以及复合材(cai)料(liao)等(deng)。
1、玻璃(li)材料
玻(bo)璃材(cai)料(liao)是第一(yi)代反射镜材(cai)料(liao)，常用(yong)的(de)(de)有ULE和ZEROUR等(deng)。玻(bo)璃材(cai)料(liao)的(de)(de)热(re)膨胀系数(shu)很低，且(qie)光(guang)学加工性(xing)能优良，但玻(bo)璃材(cai)料(liao)的(de)(de)热(re)导率低，比(bi)刚度较差。其中，ULE（零膨胀玻(bo)璃）是一(yi)款-硅(gui)酸盐(yan)玻(bo)璃，它在极端温度变(bian)化下几乎没有任何尺(chi)寸(cun)变(bian)化，具有优异的(de)(de)热(re)稳(wen)定(ding)性(xing)能，并且(qie)能够通过高温熔(rong)接(jie)、封(feng)接(jie)等(deng)工艺(yi)制成(cheng)(cheng)封(feng)闭式结构，极大地(di)弥补(bu)了材(cai)料(liao)力学性(xing)能的(de)(de)差距，这是其他三种材(cai)料(liao)所不具备的(de)(de)。因此，凭(ping)借卓越的(de)(de)稳(wen)定(ding)性(xing)成(cheng)(cheng)为了很多天文学应用(yong)的(de)(de)首(shou)选材(cai)料(liao)。
由康宁公司的(de)7941 ULE零膨胀(zhang)玻璃高温熔接而成的(de)HST主反射镜
康宁生产哈勃望远(yuan)镜(jing)(jing)时就采用ULE玻璃(li)制(zhi)成的(de)轻量化反射(she)镜(jing)(jing)，为南北双子(zi)（Gemini）和昴星(xing)团望远(yuan)镜(jing)(jing)（Subaru）生产了8米级单片反射(she)镜(jing)(jing)，并参与(yu)了其他具有重大历(li)史意义的(de)研究项(xiang)目。由于ULE玻璃(li)优异的(de)稳定性，哈勃望远(yuan)镜(jing)(jing)捕(bu)捉到了迄今为止最远(yuan)的(de)宇宙视图，让科学(xue)家(jia)观察到超过130亿光年距(ju)离的(de)景象。
美国SNAP（SuperNova Acceleration Probe）空间(jian)望远镜在镜体材料选择(ze)阶段，也(ye)曾对ULE、Zerodur、SiC三种(zhong)材料进(jin)行(xing)对比分析，并最终根据力、热性(xing)能的比较结果(guo)确定(ding)了ULE蜂窝夹芯结构的主镜设计方案。
2、金属材料
第二(er)代反射镜(jing)材(cai)料(liao)(liao)(liao)是低(di)膨(peng)胀金属(shu)材(cai)料(liao)(liao)(liao)，主(zhu)要包括Al和(he)Be等，一般(ban)通过锻造方式获得(de)。的(de)导(dao)热(re)性能优良(liang)，但热(re)膨(peng)胀系数相对较大(da)，其面形精度(du)容易受(shou)温(wen)度(du)影响(xiang)。同时Al的(de)比刚度(du)低(di)，而(er)金属(shu)Be虽然比刚度(du)较高但有(you)毒，对人体(ti)会(hui)产生致命损害，因此，在生产过程中需要有(you)严格(ge)的(de)安全措施。但是金属(shu)材(cai)料(liao)(liao)(liao)具有(you)加工(gong)工(gong)艺性好、材(cai)料(liao)(liao)(liao)价格(ge)低(di)等优势，因此也逐渐获得(de)应用(yong)。
金属(shu)铍反射镜
值得(de)一提的(de)是，由于传统机械(xie)加工方式的(de)限制(zhi)，金属(shu)反射镜很难同时满足(zu)轻质和高(gao)刚(gang)度的(de)需求，因此基(ji)于增(zeng)材制造的金(jin)属反射镜(jing)技术(shu)应运而(er)生(sheng)，若应用拓扑(pu)优(you)化思想，那在(zai)理论上就能获得(de)增材制造金(jin)属反射镜(jing)的最优(you)结构形(xing)式与面形(xing)精度。
但是增(zeng)材制造金(jin)属反射镜(jing)由于(yu)加工设(she)备(bei)和工艺(yi)的限制，无法(fa)制备(bei)大口(kou)径反射镜(jing)，同(tong)时，其比刚度也弱于(yu)碳化硅材料，因此在大口(kou)径反射镜(jing)的设(she)计与制备(bei)上不具备(bei)优势。
3、碳化硅材(cai)料
材料(liao)属于(yu)第三代反射镜材料(liao)，该(gai)材料(liao)化学稳定性(xing)好、耐空(kong)间粒(li)子辐(fu)照性(xing)能(neng)(neng)优异、热(re)膨胀系数低、弹性(xing)模量高，且具有较(jiao)好的导热(re)性(xing)能(neng)(neng)，表面改性(xing)后面形精度(du)可以达到可见(jian)光级(ji)精度(du)要求，因此是(shi)航空(kong)航天领域中(zhong)最常用的反射镜材料(liao)。
有关资料表明，碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)质反(fan)射(she)(she)镜(jing)与微晶(jing)(jing)玻璃镜(jing)体相比(bi)，其(qi)轻量化(hua)(hua)程度大于70%，重量减轻近一半，面形变化(hua)(hua)比(bi)微晶(jing)(jing)玻璃小1倍(bei)，且可进一步进行优化(hua)(hua)。因此碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)也成为大口径(jing)(jing)反(fan)射(she)(she)镜(jing)镜(jing)坯材料中的(de)佼(jiao)佼(jiao)者。如2018年7月时，中国科学(xue)院长春光(guang)学(xue)精密器械与物(wu)理(li)研究所就完成了4.03米(mi)大口径(jing)(jing)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)反(fan)射(she)(she)镜(jing)研制，是(shi)当时世界上(shang)口径(jing)(jing)最大的(de)单体碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)反(fan)射(she)(she)镜(jing)。
4米量级碳(tan)化硅反(fan)射镜(jing)
但(dan)是碳化硅反射镜，从镜坯(pi)成(cheng)形，到最终的(de)表(biao)面(mian)改性、抛光(guang)，其加工工艺路(lu)线繁琐，加工周(zhou)期(qi)较长，很难满足快速性的(de)要求，同时成(cheng)本较高。
4、纤(xian)维增(zeng)强碳化硅复合(he)材(cai)料
碳化硅是(shi)陶瓷材(cai)料(liao)(liao)，是(shi)陶瓷材(cai)料(liao)(liao)就难逃(tao)“脆性”这(zhei)一发展瓶颈。同时(shi)，碳化硅材(cai)料(liao)(liao)的莫(mo)氏(shi)硬度很高，导致材(cai)料(liao)(liao)加工难度大(da)、成本(ben)高。为进一步提高反射镜材(cai)料(liao)(liao)的轻量化程度，解决陶瓷材(cai)料(liao)(liao)脆性大(da)的问题，纤维增强(qiang)碳化硅(gui)复合材料应(ying)运(yun)而生。如(ru)此一来，纤维的引入就能够(gou)有效延长(zhang)裂纹扩展(zhan)路径、降低碳化硅陶瓷基体对(dui)裂纹的敏感性、提高材料的断裂韧(ren)性，同时密度也更低。
纤维(wei)的种类、长度、体(ti)积(ji)分数(shu)、编织方式都会影响复合材料的性能。目前用于纤维(wei)增(zeng)强碳化硅复合材料的纤维(wei)主(zhu)要有碳纤维(wei)和碳化硅纤维(wei)。
①碳(tan)纤(xian)维增强碳(tan)化硅复合材料的(de)制(zhi)备成(cheng)本较(jiao)低(di)，国外纤(xian)维增(zeng)强碳化硅反(fan)射镜(jing)发展较(jiao)早(zao)，目前(qian)的(de)制(zhi)备工艺较(jiao)为成(cheng)熟。德国、日(ri)本、美(mei)国等国家已将C/SiC复合材料成(cheng)功应用于光电成(cheng)像系统，且反(fan)射镜(jing)背板的(de)壁(bi)厚最低(di)能够达到1 mm左右。
德国ECM公司(si)商用(yong)(yong)化(hua)的(de)Cesic®材料，以无(wu)序短(duan)切碳(tan)(tan)纤维毡为增强相(xiang)，通(tong)过(guo)浸(jin)渍(zi)酚(fen)醛树脂、碳(tan)(tan)化(hua)、石墨化(hua)、渗(shen)硅反(fan)应烧结(jie)等工序得到近净尺寸成(cheng)型的(de)致(zhi)密C/SiC反(fan)射镜坯。针(zhen)对(dui)大口(kou)径及复杂形(xing)状反(fan)射镜坯，可利用(yong)(yong)粘(zhan)接工艺将C/C素坯相(xiang)连接（如下(xia)图所示），随(sui)后进(jin)行渗(shen)硅反(fan)应烧结(jie)。碳(tan)(tan)化(hua)的(de)酚(fen)醛树脂与液相(xiang)硅反(fan)应生成(cheng)的(de)碳(tan)(tan)化(hua)硅，可确保(bao)界面(mian)(mian)连接处(chu)与基体的(de)组分基本(ben)一(yi)致(zhi)。采用(yong)(yong)碳(tan)(tan)化(hua)硅浆料涂(tu)敷技术(shu)对(dui)反(fan)射镜坯表面(mian)(mian)进(jin)行处(chu)理，可使(shi)通(tong)过(guo)后续加(jia)工的(de)反(fan)射镜具有符(fu)合要求(qiu)的(de)表面(mian)(mian)粗糙度(du)。
六(liu)部分连接组(zu)成的镜(jing)坯
②碳化(hua)硅纤(xian)维增强(qiang)碳化(hua)硅复(fu)合材料(liao)具有更(geng)高的(de)抗(kang)(kang)弯强(qiang)度及弹性模量(liang)，同时(shi)可以(yi)显著(zhu)提高材料的(de)耐高温和抗(kang)(kang)高温氧化性能。美国MER公司采用SiC纤维制备(bei)出的(de)SiC-SiC复合材料的(de)断裂韧(ren)性高达20 MPa/m1/2，弹性模量达300 GPa，如(ru)下图所示。该(gai)反射(she)镜(jing)的(de)面密(mi)度低至(zhi)6 kg/m2，表(biao)面粗糙度(du)优于1 nm。
但(dan)在国内，碳(tan)化(hua)(hua)硅纤(xian)维(wei)增强碳(tan)化(hua)(hua)硅复合材料商业(ye)化(hua)(hua)生产尚不成(cheng)熟，成(cheng)本较(jiao)高，且碳(tan)化(hua)(hua)硅纤(xian)维(wei)较(jiao)脆，编织困(kun)难，这也成(cheng)为目(mu)前限制其工(gong)业(ye)化(hua)(hua)发(fa)展(zhan)的(de)重要因素。
资(zi)料(liao)来(lai)源：
纤维增强碳化硅(gui)及其在光学反射(she)镜(jing)中的应(ying)用，张巍，张舸，郭(guo)聪慧，范天扬(yang)，徐传享(xiang)。
超大(da)口径反射镜技术的(de)研究进展，张博(bo)文，郭崇岭，刘红(hong)，程(cheng)云涛(tao)，付强(qiang)强(qiang)。
增材制(zhi)造金属反射镜的发展综述，谭淞年，丁(ding)亚林，许永森，刘伟毅。
粉体圈 NANA整理
本文(wen)为粉体圈原创(chuang)作品，未经许可，不(bu)得转载，也不(bu)得歪曲、篡改或(huo)复(fu)制本文(wen)内容，否则本公(gong)司将依(yi)法(fa)追(zhui)究法(fa)律(lv)责任。