中國粉體網(wǎng)訊 自伽利略制造了世界上第一臺天文望遠(yuǎn)鏡，將人類視力首次延伸到了土星的光環(huán)以來,，人們不斷地改進(jìn)光學(xué)儀器,，鏡頭口徑越來越大，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，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)系到人類對宇宙研究的速度和進(jìn)程,，是人類發(fā)展進(jìn)步，認(rèn)識自然界的一個(gè)重要科學(xué)手段,。相比地基望遠(yuǎn)鏡它具有良好的觀測環(huán)境和觀測條件,，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)瓶頸問題,，促進(jìn)我國空間科學(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，后來西方發(fā)達(dá)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(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(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反射鏡的加工及使用帶來嚴(yán)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(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,，對人體會產(chǎn)生致命損害,，因此，在生產(chǎn)過程中需要有嚴(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(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)過程鏡坯的收縮率達(dá)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(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
中科院長春光機(jī)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(jì)末開始開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量級碳化硅反射鏡，并成功應(yīng)用于商用遙感,、“天問一號”有效載荷,、“高分”等型號任務(wù)。
4m量級碳化硅反射鏡
為了進(jìn)一步擴(kuò)大技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢,，項(xiàng)目組于2009年提出了4m量級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量級碳化硅反射鏡的成功研制，打破了國外壟斷,，標(biāo)志著我國大口徑光學(xué)制造技術(shù)躋身國際先進(jìn)行列,，進(jìn)一步鞏固了我國在光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢，推動我國新型光學(xué)遙感技術(shù)實(shí)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(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
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途,，存在侵權(quán)告知刪除
