中國粉體網訊 自伽利略制造了世界上第一臺天文望遠鏡，將人類視力首次延伸到了土星的光環以來，人們不斷地改進光學儀器，鏡頭口徑越來越大，以期能看的更遠、更清晰，同時成像方式也從伽利略望遠鏡的折射式演變為反射式。逐漸地，人們不滿足于受大氣影響的地面觀測，將天文望遠鏡發射到外空間形成空間望遠鏡，1990年升空的哈勃太空望遠鏡，將人類視野延伸到數十億光年之外的深邃空間。
太空中的哈勃空間望遠鏡
空間望遠鏡是人類研究探索宇宙的最重要最直接的工具，它的發展關系到人類對宇宙研究的速度和進程，是人類發展進步，認識自然界的一個重要科學手段。相比地基望遠鏡它具有良好的觀測環境和觀測條件，受到天文學家的青睞。大口徑空間反射鏡是空間望遠鏡的最重要的組成部分，也是制約空間望遠鏡發展的一個關鍵因素。開展大口徑的空間反射鏡的設計及制造研究，可以解決空間望遠鏡技術的重大技術瓶頸問題，促進我國空間科學事業的發展，是一項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，后來西方發達國家把目光投向具有優異綜合性能的碳化硅陶瓷。
反射鏡光學材料性能要求
（1）高的機械強度可避免鏡體的機械變形，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，反射鏡基體材料應具備較小的熱膨脹系數和盡可能大的導熱系數。
（3）可加工性。要求反射鏡基體材料通過光學拋光，可獲得優秀的表面粗糙度。
（4）高的化學穩定性。在加工過程中，或者長期保存在自然環境下，材料不被水汽或其他氣氛侵蝕，以確保光學鏡面的質量不受損害。
（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、機械性質及熱性質。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重影響。
（6）其他要求，例如低制造成本、無毒及環境友好等。
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很低，且光學加工性能優良，但玻璃材料的熱導率低，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，金屬材料的導熱性能優良，但熱膨脹系數相對較大，其面形精度容易受溫度影響。同時Al的比剛度低，而金屬Be雖然比剛度較高但有毒，對人體會產生致命損害，因此，在生產過程中需要有嚴格的安全措施。
碳化硅材料屬于第三代反射鏡材料。該材料化學穩定性好、耐空間粒子輻照性能優異、熱膨脹系數低、彈性模量高，且具有較好的導熱性能。
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，良好的導熱性，較低的線膨脹系數，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、光學加工、鍍膜等完整的光學零件加工工藝方法上逐漸成熟，在大口徑的空間光學系統中尤為受到青睞。
碳化硅反射鏡的燒結工藝
SiC陶瓷材料的制備工藝方式主要有：熱壓燒結工藝、反應燒結工藝、常壓燒結工藝和化學氣相沉積工藝（CVD）。其中熱壓燒結工藝由于工藝過程的限制，不適合制備形狀復雜的反射鏡鏡坯；常壓燒結工藝燒結過程鏡坯的收縮率達到10%~15%，這種工藝對于制備精密尺寸的近凈尺寸成型不利。
CVD技術制備SiC質反射鏡，是將含有硅源（SiCl４）和碳源（CXHY）的氣體共同導入反應爐，合成SiC后沉積在基板上。采用該工藝制備的鏡體質量最好，但成本也最高，只有在特殊的情況下應用該技術。
反應燒結工藝可以制備大尺寸、形狀復雜的SiC反射鏡鏡坯，并且反應燒結的制備溫度相對較低、燒結時間周期短、鏡坯制造成本低、燒結完成的結構致密，機械綜合性能、熱特性較優，符合超大口徑反射鏡的應用要求。
不同燒結工藝的SiC材料性能
世界上最大口徑的碳化硅反射鏡
中科院長春光機所根據國家重大戰略需求和碳化硅陶瓷材料的發展趨勢，于二十世紀末開始開展碳化硅反射鏡制備技術的研究。團隊創始人趙文興研究員帶領項目組歷經十余年的刻苦攻關，突破了復雜結構碳化硅陶瓷預置體成型、素坯連接、致密化反應燒結等核心技術，先后研制出0.5~2m量級碳化硅反射鏡，并成功應用于商用遙感、“天問一號”有效載荷、“高分”等型號任務。
4m量級碳化硅反射鏡
為了進一步擴大技術領先優勢，項目組于2009年提出了4m量級碳化硅反射鏡的研究目標，在其后八年時間里，研究團隊經歷了數百次實驗驗證和四次燒結試驗的失敗，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4.03m，重量1.7t。該鏡坯于2018年完成光學加工和鍍膜，其面形精度值和反射率等指標完全滿足用戶要求，目前已應用于工程項目。4m量級碳化硅反射鏡的成功研制，打破了國外壟斷，標志著我國大口徑光學制造技術躋身國際先進行列，進一步鞏固了我國在光學系統先進制造領域的領先優勢，推動我國新型光學遙感技術實現跨越式發展。
參考來源：
[1]郭疆.碳化硅大口徑空間反射鏡設計與制造研究
[2]光之眼———碳化硅反射鏡.硅酸鹽通報
[3]張巍等.纖維增強碳化硅及其在光學反射鏡中的應用
[4]趙文興等.輕型碳化硅質反射鏡坯體的制造工藝
（中國粉體網編輯整理/山川）
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