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玻璃、金屬、碳化硅…各種材質(zhì)反射鏡的性能對比

日期：2022-07-12 瀏覽次數(shù)：次

“登高望遠(yuǎn)”是從古至今都很常用的一個(gè)成語，直譯就是登上高處，看得更遠(yuǎn)。不過在21世紀(jì)的今天，人類的眼界早已越過高山，直達(dá)宇宙。因此，對地觀測、深空探測等領(lǐng)域迅速發(fā)展了起來。

要望那么遠(yuǎn)，就離不開遠(yuǎn)距離多光譜光學(xué)系統(tǒng)，其中“大尺寸光學(xué)反射鏡”會(huì)起到不可或缺的作用，在國防應(yīng)用、監(jiān)控和監(jiān)測以及部分商業(yè)應(yīng)用都能看到它的身影。例如，大尺寸光學(xué)反射鏡最常見的應(yīng)用是航空航天行業(yè)，常用于衛(wèi)星和望遠(yuǎn)鏡。另外大尺寸光學(xué)反射鏡也可以集成到飛行器的光學(xué)系統(tǒng)中，如大型無人機(jī)系統(tǒng)。最后，利用紅外線對農(nóng)田溫度進(jìn)行遠(yuǎn)距離空中監(jiān)測也是一項(xiàng)有趣的商業(yè)應(yīng)用。

大尺寸光學(xué)反射鏡

一、光學(xué)反射鏡的制備要求

之所以要用到大尺寸光學(xué)反射鏡，是因?yàn)?/span>增加光學(xué)反射鏡坯的口徑是有效增加光電成像系統(tǒng)分辨率及探測能力的重要方法之一。然而，光電載荷對于重量有嚴(yán)格限制，此外，用材必須能確保系統(tǒng)可在復(fù)雜的環(huán)境下正常工作。

因此，對于大口徑光學(xué)反射鏡而言，其材料的選擇與制備都必須滿足極為嚴(yán)苛的要求。具體如下：

①選擇低密度輕量化材料，其一方面能夠滿足空間遙感相機(jī)對載荷提出的低重量要求，可以減少衛(wèi)星發(fā)射成本，另一方面可以減輕地基望遠(yuǎn)鏡由于自重引起的鏡面變形。

②具備高比剛度及優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。高比剛度能夠避免反射鏡自重、裝配應(yīng)力及衛(wèi)星發(fā)射段的沖擊振動(dòng)等對鏡面造成的影響，同時(shí)高的斷裂韌性也有利于實(shí)現(xiàn)光機(jī)功能一體化，減少由于支撐部件與反射鏡材料性能不匹配造成的應(yīng)力積聚。

③具有良好的熱穩(wěn)定性?？臻g相機(jī)及地基望遠(yuǎn)鏡的服役溫度環(huán)境惡劣，材料的導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)低，能減少反射鏡熱畸變，保證光電成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

④耐空間粒子輻照，可延長空間反射鏡材料的使用壽命。

⑤材料的加工及制備成本低。

二、反射鏡材料的選擇

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。

1、玻璃材料

玻璃材料是第一代反射鏡材料，常用的有ULE和ZEROUR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。其中，ULE（零膨脹玻璃）是一款二氧化鈦-硅酸鹽玻璃，它在極端溫度變化下幾乎沒有任何尺寸變化，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能，并且能夠通過高溫熔接、封接等工藝制成封閉式結(jié)構(gòu)，極大地彌補(bǔ)了材料力學(xué)性能的差距，這是其他三種材料所不具備的。因此，憑借卓越的穩(wěn)定性成為了很多天文學(xué)應(yīng)用的首選材料。

HST主反射鏡

由康寧公司的7941 ULE零膨脹玻璃高溫熔接而成的HST主反射鏡

康寧生產(chǎn)哈勃望遠(yuǎn)鏡時(shí)就采用ULE玻璃制成的輕量化反射鏡，為南北雙子（Gemini）和昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡（Subaru）生產(chǎn)了8米級單片反射鏡，并參與了其他具有重大歷史意義的研究項(xiàng)目。由于ULE玻璃優(yōu)異的穩(wěn)定性，哈勃望遠(yuǎn)鏡捕捉到了迄今為止最遠(yuǎn)的宇宙視圖，讓科學(xué)家觀察到超過130億光年距離的景象。

美國SNAP（SuperNova Acceleration Probe）空間望遠(yuǎn)鏡在鏡體材料選擇階段，也曾對ULE、Zerodur、SiC三種材料進(jìn)行對比分析，并最終根據(jù)力、熱性能的比較結(jié)果確定了ULE蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的主鏡設(shè)計(jì)方案。

2、金屬材料

第二代反射鏡材料是低膨脹金屬材料，主要包括Al和Be等，一般通過鍛造方式獲得。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(huì)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。但是金屬材料具有加工工藝性好、材料價(jià)格低等優(yōu)勢，因此也逐漸獲得應(yīng)用。

金屬鈹反射鏡

值得一提的是，由于傳統(tǒng)機(jī)械加工方式的限制，金屬反射鏡很難同時(shí)滿足輕質(zhì)和高剛度的需求，因此基于增材制造的金屬反射鏡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，若應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化思想，那在理論上就能獲得增材制造金屬反射鏡的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式與面形精度。

但是增材制造金屬反射鏡由于加工設(shè)備和工藝的限制，無法制備大口徑反射鏡，同時(shí)，其比剛度也弱于碳化硅材料，因此在大口徑反射鏡的設(shè)計(jì)與制備上不具備優(yōu)勢。

3、碳化硅材料

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，表面改性后面形精度可以達(dá)到可見光級精度要求，因此是航空航天領(lǐng)域中最常用的反射鏡材料。

有關(guān)資料表明，碳化硅質(zhì)反射鏡與微晶玻璃鏡體相比，其輕量化程度大于70%，重量減輕近一半，面形變化比微晶玻璃小1倍，且可進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。因此碳化硅也成為大口徑反射鏡鏡坯材料中的佼佼者。如2018年7月時(shí)，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密器械與物理研究所就完成了4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制，是當(dāng)時(shí)世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。

碳化硅反射鏡

4米量級碳化硅反射鏡

但是碳化硅反射鏡，從鏡坯成形，到最終的表面改性、拋光，其加工工藝路線繁瑣，加工周期較長，很難滿足快速性的要求，同時(shí)成本較高。

4、纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料

碳化硅是陶瓷材料，是陶瓷材料就難逃“脆性”這一發(fā)展瓶頸。同時(shí)，碳化硅材料的莫氏硬度很高，導(dǎo)致材料加工難度大、成本高。為進(jìn)一步提高反射鏡材料的輕量化程度，解決陶瓷材料脆性大的問題，纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。如此一來，纖維的引入就能夠有效延長裂紋擴(kuò)展路徑、降低碳化硅陶瓷基體對裂紋的敏感性、提高材料的斷裂韌性，同時(shí)密度也更低。

纖維的種類、長度、體積分?jǐn)?shù)、編織方式都會(huì)影響復(fù)合材料的性能。目前用于纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的纖維主要有碳纖維和碳化硅纖維。

①碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料的制備成本較低，國外纖維增強(qiáng)碳化硅反射鏡發(fā)展較早，目前的制備工藝較為成熟。德國、日本、美國等國家已將C/SiC復(fù)合材料成功應(yīng)用于光電成像系統(tǒng)，且反射鏡背板的壁厚最低能夠達(dá)到1 mm左右。

德國ECM公司商用化的Cesic®材料，以無序短切碳纖維氈為增強(qiáng)相，通過浸漬酚醛樹脂、碳化、石墨化、滲硅反應(yīng)燒結(jié)等工序得到近凈尺寸成型的致密C/SiC反射鏡坯。針對大口徑及復(fù)雜形狀反射鏡坯，可利用粘接工藝將C/C素坯相連接（如下圖所示），隨后進(jìn)行滲硅反應(yīng)燒結(jié)。碳化的酚醛樹脂與液相硅反應(yīng)生成的碳化硅，可確保界面連接處與基體的組分基本一致。采用碳化硅漿料涂敷技術(shù)對反射鏡坯表面進(jìn)行處理，可使通過后續(xù)加工的反射鏡具有符合要求的表面粗糙度。

六部分連接組成的鏡坯

②碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料具有更高的抗彎強(qiáng)度及彈性模量，同時(shí)可以顯著提高材料的耐高溫和抗高溫氧化性能。美國MER公司采用SiC纖維制備出的SiC-SiC復(fù)合材料的斷裂韌性高達(dá)20 MPa/m^1/2，彈性模量達(dá)300 GPa，如下圖所示。該反射鏡的面密度低至6 kg/m²，表面粗糙度優(yōu)于1 nm。

玻璃、金屬、碳化硅…各種材質(zhì)反射鏡的性能對比