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“登高(gao)望远(yuan)”是从古至今都(dou)很常用的(de)(de)一个成语(yu)，直译就(jiu)是登上高(gao)处，看得更远(yuan)。不过在21世纪的(de)(de)今天(tian)，人类的(de)(de)眼界(jie)早已越过高(gao)山，直达宇宙。因(yin)此，对地观测(ce)(ce)、深空探测(ce)(ce)等领域迅速发展了起来(lai)。

要望(wang)那(nei)么远，就离(li)不(bu)开远距离(li)多(duo)光谱光学系统，其中“大尺寸光学(xue)反射镜”会起到不可或缺的(de)作用(yong)，在国防应(ying)用(yong)、监控(kong)和监测以及部分商(shang)业(ye)应(ying)用(yong)都能(neng)看(kan)到它的(de)身(shen)影。例如(ru)，大尺(chi)寸(cun)光学反射镜(jing)最常(chang)见的(de)应(ying)用(yong)是航(hang)空航(hang)天行(xing)业(ye)，常(chang)用(yong)于卫星和望远镜(jing)。另外(wai)大尺(chi)寸(cun)光学反射镜(jing)也可以集成(cheng)到飞行(xing)器的(de)光学系(xi)统中，如(ru)大型(xing)无人机系(xi)统。最后，利用(yong)红外(wai)线(xian)对(dui)农田温度进行(xing)远距离空中监测也是一项有趣的(de)商(shang)业(ye)应(ying)用(yong)。

一、光学反射镜(jing)的制备要求(qiu)

之所以(yi)要用到(dao)大尺寸光学反(fan)射镜，是因为增加光(guang)学反射镜坯的口径是(shi)有效增加光(guang)电成像系(xi)统分辨率及探测能力的重要方法之(zhi)一。然而，光电(dian)载荷(he)对于(yu)重量有严格限制(zhi)，此外，用材必须能确保(bao)系统(tong)可在复杂的(de)环境(jing)下(xia)正常工作。

因此，对于大口径光学反(fan)射镜而言，其材料的(de)选择(ze)与制备都必(bi)须满足极为严(yan)苛的(de)要求。具体(ti)如(ru)下：

①选择低(di)密度轻量(liang)化材料，其一方(fang)面能够满足空间遥(yao)感相机对载荷提出的(de)低(di)重(zhong)量(liang)要求，可以减(jian)(jian)少(shao)卫(wei)星发射成本(ben)，另一方(fang)面可以减(jian)(jian)轻地基(ji)望(wang)远(yuan)镜由于自重(zhong)引起的(de)镜面变形。

②具备高比刚(gang)度(du)及优(you)异的(de)(de)综合力学性能。高比刚(gang)度(du)能够避免反射镜(jing)(jing)自重、装配(pei)应力及卫星(xing)发射段的(de)(de)冲击振动等对镜(jing)(jing)面造成的(de)(de)影响(xiang)，同时高的(de)(de)断(duan)裂韧性也(ye)有(you)利于实现光机功(gong)能一体化(hua)，减少由于支(zhi)撑部件与反射镜(jing)(jing)材料性能不匹配(pei)造成的(de)(de)应力积聚(ju)。

③具有良好的热(re)(re)(re)稳定性。空(kong)间相机及地基望(wang)远镜的服役温度环境恶劣，材料的导(dao)热(re)(re)(re)性能(neng)好、热(re)(re)(re)膨胀系数低，能(neng)减少反(fan)射镜热(re)(re)(re)畸变，保证光电(dian)成像系统的成像质量。

④耐空间(jian)(jian)粒(li)子辐照，可延长空间(jian)(jian)反射镜(jing)材(cai)料的使(shi)用寿(shou)命。

⑤材料(liao)的加(jia)工及制(zhi)备(bei)成本(ben)低。

二、反射镜(jing)材料的选择

目前，反射镜(jing)材(cai)料(liao)(liao)主要包括玻璃(li)材(cai)料(liao)(liao)、低膨胀(zhang)金(jin)属材(cai)料(liao)(liao)、陶瓷材(cai)料(liao)(liao)以及复合材(cai)料(liao)(liao)等。

1、玻(bo)璃材(cai)料

玻璃(li)材(cai)(cai)料(liao)(liao)是第一代反射镜材(cai)(cai)料(liao)(liao)，常用的有ULE和ZEROUR等。玻璃(li)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的热膨胀(zhang)(zhang)系(xi)数很(hen)低，且光(guang)学(xue)加工性能(neng)优良，但玻璃(li)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的热导率(lv)低，比刚度较差(cha)。其中(zhong)，ULE（零膨胀(zhang)(zhang)玻璃(li)）是一款-硅酸盐玻璃(li)，它在极(ji)端温(wen)度变化下(xia)几(ji)乎(hu)没有任何尺寸变化，具(ju)有优异的热稳定(ding)性能(neng)，并且能(neng)够通过高温(wen)熔(rong)接、封接等工艺制成(cheng)封闭(bi)式结构，极(ji)大地(di)弥(mi)补了(le)材(cai)(cai)料(liao)(liao)力学(xue)性能(neng)的差(cha)距，这是其他三种材(cai)(cai)料(liao)(liao)所不(bu)具(ju)备的。因此，凭借(jie)卓(zhuo)越的稳定(ding)性成(cheng)为了(le)很(hen)多(duo)天文学(xue)应用的首选(xuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。

由康宁公司的7941 ULE零膨(peng)胀(zhang)玻璃高温熔(rong)接而成(cheng)的HST主反射镜

康宁生(sheng)产(chan)哈(ha)勃望远(yuan)镜时就采用ULE玻璃制成的轻量化(hua)反(fan)射镜，为南北双子(zi)（Gemini）和昴星团(tuan)望远(yuan)镜（Subaru）生(sheng)产(chan)了(le)8米级(ji)单片反(fan)射镜，并参与了(le)其他具有重大历史意义的研究项(xiang)目(mu)。由(you)于(yu)ULE玻璃优异(yi)的稳定(ding)性，哈(ha)勃望远(yuan)镜捕捉到了(le)迄今为止最远(yuan)的宇宙视图，让科(ke)学家(jia)观察到超过130亿(yi)光年距(ju)离的景(jing)象(xiang)。

美国(guo)SNAP（SuperNova Acceleration Probe）空间望远镜在(zai)镜体材(cai)料(liao)选择阶段，也曾对ULE、Zerodur、SiC三种材(cai)料(liao)进行对比分析，并最终(zhong)根据力、热(re)性能(neng)的(de)比较结果确(que)定了ULE蜂窝夹芯结构(gou)的(de)主(zhu)镜设计方案。

2、金(jin)属材料

第(di)二代反射镜材(cai)料是(shi)低(di)膨胀金(jin)属材(cai)料，主要包括Al和Be等(deng)，一般通过(guo)锻造方式获(huo)得。的(de)(de)导热性能优良，但(dan)热膨胀系数相对较大，其面(mian)形精度容(rong)易受温度影(ying)响。同时Al的(de)(de)比刚(gang)度低(di)，而金(jin)属Be虽然比刚(gang)度较高但(dan)有毒，对人体会产生致命损害，因此，在生产过(guo)程中需(xu)要有严格的(de)(de)安全(quan)措施。但(dan)是(shi)金(jin)属材(cai)料具(ju)有加工工艺性好、材(cai)料价格低(di)等(deng)优势，因此也逐渐(jian)获(huo)得应(ying)用。

金属铍(pi)反射镜

值得一提的(de)是(shi)，由于传统机械加工方式的(de)限制，金属反(fan)射镜很难同时(shi)满(man)足轻质(zhi)和高刚(gang)度的(de)需求(qiu)，因此基于增材制造的(de)金属反射镜(jing)技术应运(yun)而生(sheng)，若应用拓扑优化思(si)想，那在(zai)理论上(shang)就能获(huo)得(de)增材制造金属反射镜(jing)的(de)最优结(jie)构形(xing)式与面形(xing)精度。

但是增材制造金属反(fan)射镜(jing)由于加工设备(bei)和工艺(yi)的(de)限制，无(wu)法(fa)制备(bei)大口径反(fan)射镜(jing)，同时，其(qi)比刚度也弱于碳化硅材料(liao)，因此在大口径反(fan)射镜(jing)的(de)设计(ji)与(yu)制备(bei)上不具备(bei)优势(shi)。

3、碳(tan)化硅材料

材料属于第三代反射镜材料，该材料化学稳(wen)定性(xing)好、耐空间粒(li)子辐照性(xing)能优异、热膨(peng)胀系(xi)数低、弹性(xing)模量高，且具有较好的(de)导热性(xing)能，表面改性(xing)后面形(xing)精(jing)度可(ke)以(yi)达到可(ke)见光(guang)级精(jing)度要求(qiu)，因此(ci)是(shi)航空航天领域中最常(chang)用的(de)反射镜材料。

有关资(zi)料表明，碳(tan)化硅(gui)质反(fan)射(she)镜(jing)与(yu)(yu)微(wei)晶玻璃镜(jing)体相比，其轻量(liang)(liang)化程度大于70%，重量(liang)(liang)减轻近一半，面形变(bian)化比微(wei)晶玻璃小(xiao)1倍，且(qie)可进一步(bu)进行(xing)优(you)化。因此碳(tan)化硅(gui)也成(cheng)为大口径(jing)(jing)反(fan)射(she)镜(jing)镜(jing)坯材料中(zhong)的(de)佼(jiao)佼(jiao)者。如2018年7月时(shi)，中(zhong)国(guo)科学院(yuan)长春光学精密器(qi)械与(yu)(yu)物理研究所就完(wan)成(cheng)了4.03米大口径(jing)(jing)碳(tan)化硅(gui)反(fan)射(she)镜(jing)研制(zhi)，是当时(shi)世界上口径(jing)(jing)最大的(de)单体碳(tan)化硅(gui)反(fan)射(she)镜(jing)。

4米量级碳(tan)化硅反(fan)射镜

但是碳化(hua)硅反射镜，从镜坯成形，到最终(zhong)的表面改(gai)性、抛光，其加(jia)工(gong)工(gong)艺路线繁琐，加(jia)工(gong)周期较长，很难满足快(kuai)速性的要求，同时成本较高(gao)。

4、纤维(wei)增强碳化硅复合材料(liao)

碳化硅(gui)是(shi)(shi)陶瓷(ci)材(cai)料，是(shi)(shi)陶瓷(ci)材(cai)料就(jiu)难(nan)逃“脆性”这一发展瓶颈。同时，碳化硅(gui)材(cai)料的(de)莫氏硬度(du)很高(gao)，导致材(cai)料加工难(nan)度(du)大、成本高(gao)。为进一步提高(gao)反射镜材(cai)料的(de)轻量(liang)化程(cheng)度(du)，解决(jue)陶瓷(ci)材(cai)料脆性大的(de)问题，纤维增强(qiang)碳化硅复合材料应运而生。如此一(yi)来，纤维的(de)引入就(jiu)能够(gou)有效延长裂纹扩(kuo)展路径、降(jiang)低碳化硅陶瓷基(ji)体对裂纹的(de)敏感(gan)性、提(ti)高材料的(de)断裂韧性，同(tong)时(shi)密度也(ye)更低。

纤维(wei)的(de)种类(lei)、长度、体(ti)积分数、编织(zhi)方式都(dou)会影响复合(he)(he)材料的(de)性能。目前用(yong)于纤维(wei)增强碳化(hua)硅复合(he)(he)材料的(de)纤维(wei)主(zhu)要有(you)碳纤维(wei)和碳化(hua)硅纤维(wei)。

①碳纤维增强碳化硅复合材料(liao)的制备成(cheng)本较(jiao)低，国(guo)(guo)外纤维增强(qiang)碳(tan)化硅反(fan)(fan)射镜发展较(jiao)早，目前的制备工艺(yi)较(jiao)为成(cheng)熟。德国(guo)(guo)、日本、美国(guo)(guo)等国(guo)(guo)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)(fan)射镜背板的壁厚最(zui)低能够达到(dao)1 mm左右。

德国ECM公司(si)商(shang)用(yong)化(hua)的(de)Cesic®材料，以无序短切碳纤维(wei)毡为增强相，通过(guo)浸渍酚(fen)醛树(shu)脂、碳化(hua)、石墨化(hua)、渗硅反(fan)应烧结等工序得到(dao)近净尺寸成型的(de)致密C/SiC反(fan)射(she)镜坯(pi)。针(zhen)对大口径及复杂形状(zhuang)反(fan)射(she)镜坯(pi)，可利用(yong)粘接工艺将C/C素坯(pi)相连(lian)接（如下图(tu)所示），随后进行渗硅反(fan)应烧结。碳化(hua)的(de)酚(fen)醛树(shu)脂与液相硅反(fan)应生成的(de)碳化(hua)硅，可确(que)保界面(mian)连(lian)接处与基(ji)(ji)体(ti)的(de)组分基(ji)(ji)本一(yi)致。采用(yong)碳化(hua)硅浆料涂敷技术对反(fan)射(she)镜坯(pi)表(biao)面(mian)进行处理，可使通过(guo)后续加工的(de)反(fan)射(she)镜具有符(fu)合要求的(de)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)。

六(liu)部分连接组成的镜(jing)坯(pi)

②碳化硅(gui)纤维增强(qiang)碳化硅(gui)复(fu)合材料具(ju)有(you)更高(gao)(gao)的抗(kang)弯强度及弹(dan)性模量，同(tong)时可以显著提高(gao)(gao)材料的耐高(gao)(gao)温(wen)和抗(kang)高(gao)(gao)温(wen)氧化性能。美国(guo)MER公司采用(yong)SiC纤维制备出的SiC-SiC复合材料的断裂韧(ren)性高(gao)(gao)达20 MPa/m^1/2，弹性模量(liang)达300 GPa，如下图所示。该反射(she)镜(jing)的(de)面密度低至6 kg/m²，表面粗(cu)糙度优于(yu)1 nm。

但在国(guo)内，碳(tan)(tan)化(hua)硅纤维增(zeng)强(qiang)碳(tan)(tan)化(hua)硅复合材料(liao)商(shang)业化(hua)生产尚不成(cheng)(cheng)熟(shu)，成(cheng)(cheng)本较(jiao)高，且(qie)碳(tan)(tan)化(hua)硅纤维较(jiao)脆(cui)，编织困难，这(zhei)也成(cheng)(cheng)为(wei)目前限制(zhi)其工业化(hua)发展的重要因素(su)。

资(zi)料(liao)来源：

纤维增(zeng)强碳化(hua)硅及其(qi)在光学反射镜中的应(ying)用(yong)，张(zhang)巍，张(zhang)舸，郭聪慧，范天扬(yang)，徐传享。

超大(da)口径反射(she)镜技术的研究(jiu)进展(zhan)，张博文，郭崇岭，刘红(hong)，程云涛，付强强。

增材制造(zao)金属反射镜的发展综述，谭淞(song)年，丁亚(ya)林，许永(yong)森，刘(liu)伟毅。

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