為了在太空領(lǐng)域達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益和軍事目的，需要提高空間探測器的地面分辨率以及在紫外到長波紅外寬波段范圍內(nèi)工作，只有采用反射式光學(xué)系統(tǒng)才能滿足要求。反射鏡是反射式光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它不僅要滿足光學(xué)應(yīng)用要求，而且還要求質(zhì)量輕，基于對空間惡劣環(huán)境的考慮，輕質(zhì)反射鏡的鏡體材料應(yīng)具備以下特點：比剛度大、熱變形系數(shù)小、表面粗糙度小、尺寸穩(wěn)定性好、抗輻照性好、易進(jìn)行光學(xué)加工、易鍍膜、熱性能及力學(xué)性能各向同性、成本盡可能低等。 其中，碳化硅材料以其優(yōu)異的物理性能和良好的工藝性能，正逐漸成為最具發(fā)展前途的新型輕質(zhì)反射鏡材料。

圖一 碳化硅反射鏡

一、SiC 基底反射鏡應(yīng)用現(xiàn)狀

1、國際情況

SiC基底反射鏡的研究至今已有近40年的歷史，自20世紀(jì)90年代以來發(fā)展迅速，各國均將其視為目前最為合適的空間反射鏡材料，研究成果也頗為顯著。歐洲航天局(European Space Agency，ESA)的Aladin主鏡為口徑1. 5 m的SiC反射鏡，通過化學(xué)氣相沉積(CVD)改性并拋光后，其平均表面粗糙度為4. 8 nm。同為ESA的Herschel太空望遠(yuǎn)鏡是目前世界上最大的空間望遠(yuǎn)鏡，其主鏡采用拼接技術(shù)，將12塊扇形SiC焊接成為一個整體，制成直徑為3. 5 m的主反射鏡。焊接處使用Si合金，焊接處厚度通常小于0. 05 mm。加工后的Herschel主鏡表面粗糙度Ra值小于6 nm。

在美國，作為哈勃繼任者的新一代太空望遠(yuǎn)鏡JWST望遠(yuǎn)鏡，第二代 Hopkins紫外望遠(yuǎn)鏡等空間項目，以及美國國家彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(NMD)中，SiC 及其復(fù)合材料均得到了大量的的應(yīng)用，同時，Eastman Kodak、POCO等公司已經(jīng)實現(xiàn)了SiC材料反射鏡的商品化。

2、國內(nèi)情況

在我國，對于SiC材料及其復(fù)合材料的光學(xué)應(yīng)用起步較晚，目前雖然在材料制備方面已基本做到與世界同步的水平，但在加工上仍處于相對落后的階段。目前，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及國防科技大學(xué)等單位，都在進(jìn)行 SiC 反射鏡應(yīng)用技術(shù)的研制與開發(fā)，經(jīng)過近年來的不斷研究與改進(jìn)，已取得了較為豐碩的成果。近年來，由我國自主研制的多塊SiC反射鏡已成功應(yīng)用于實際的空間光學(xué)系統(tǒng)中，均取得預(yù)期效果。

二、碳化硅反射鏡制備工藝

20世紀(jì)80年代開始, 世界上許多國家的研究者開始分別采用各自的方法試圖制作碳化硅反射鏡,方法多種多樣, 但歸納后不難發(fā)現(xiàn), 這些方法不外乎三類:反應(yīng)燒結(jié)法、化學(xué)氣相沉積法和熱壓(或熱等靜壓)法。

1、反應(yīng)燒結(jié)法

反應(yīng)燒結(jié)是一種最為常見的反射鏡制備工藝,這種工藝采用具有反應(yīng)活性的液態(tài)硅浸滲含碳的反射鏡預(yù)制體, 硅與碳反應(yīng)生成的新碳化硅原位地結(jié)合預(yù)制體中原有的碳化硅顆粒，并填充預(yù)制體中剩余的孔隙,最后得到近乎完全致密的反射鏡毛坯。

2、化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是在溫度為1275℃～1350℃的反應(yīng)容器內(nèi)，通入一種氣體或幾種氣體的混合氣，在石墨或其它物質(zhì)的基片上得到碳化硅的沉積層。

3、熱壓(或熱等靜壓)法

熱壓(或熱等靜壓)燒結(jié)的主要工藝步驟：把微米級的碳化硅粉和助燒劑以及阻止晶粒過分長大的添加劑混合后預(yù)壓成預(yù)制體，然后將這種預(yù)制體用合適的封裝材料封裝后放入壓力腔中，在合適的溫度-壓力-時間制度下進(jìn)行燒結(jié)。

隨著世界各國航空航天事業(yè)及軍事方面的飛速發(fā)展，SiC 基底反射鏡的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。目前，我國現(xiàn)有的表面改性SiC基底反射鏡的加工技術(shù)受限于加工經(jīng)驗、加工設(shè)備等各方面的因素，且尚處于起步階段，與國際領(lǐng)先水平仍存在明顯差距，但各研究機(jī)構(gòu)通過多年的努力已取得十分明顯的進(jìn)步。為使我國在國際競爭中處于領(lǐng)先位置，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有研究條件，只有進(jìn)一步改進(jìn)并完善現(xiàn)有加工工藝，以計算機(jī)控制光學(xué)成型技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同加工需求配合多種不同種類的拋光技術(shù)，即以組合式拋光技術(shù)進(jìn)行光學(xué)加工，以實現(xiàn)目標(biāo)精度要求，更好地適應(yīng)我國航空航天事業(yè)發(fā)展的需求。

作者：谷雨