碳化硅反射镜，更清晰！

自伽利略制造了世界上第一台天文望远镜，将人类视力首次延伸到了土星的光环以来，人们不断地改进光学仪器，镜头口径越来越大，以期能看的更远、更清晰，同时成像方式也从伽利略望远镜的折射式演变为反射式。逐渐地，人们不满足于受大气影响的地面观测，将天文望远镜发射到外空间形成空间望远镜，1990年升空的哈勃太空望远镜，将人类视野延伸到数十亿光年之外的深邃空间。

太空中的哈勃空间望远镜

空间望远镜是人类研究探索宇宙的最重要最直接的工具，它的发展关系到人类对宇宙研究的速度和进程，是人类发展进步，认识自然界的一个重要科学手段。相比地基望远镜它具有良好的观测环境和观测条件，受到天文学家的青睐。大口径空间反射镜是空间望远镜的最重要的组成部分，也是制约空间望远镜发展的一个关键因素。开展大口径的空间反射镜的设计及制造研究，可以解决空间望远镜技术的重大技术瓶颈问题，促进我国空间科学事业的发展，是一项有重大意义的研究工作。

反射镜如此重要，该用什么材料来做呢？从最初的折射式镜头的光学玻璃，到第一代反射式镜片的铝合金、铜合金，再到第二代的金属铍、ULE、Zerodur，这些材料在力热性能上或多或少存在短板，后来西方发达国家把目光投向具有优异综合性能的碳化硅陶瓷。

反射镜光学材料性能要求

（1）高的机械强度可避免镜体的机械变形，因此要求材料具备尽可能高的弹性模量、比刚度及尽可能小的泊松比。

（2）良好的热性能可避免温度变化引起的热变形，所以，反射镜基体材料应具备较小的热膨胀系数和尽可能大的导热系数。

（3）可加工性。要求反射镜基体材料通过光学抛光，可获得优秀的表面粗糙度。

（4）高的化学稳定性。在加工过程中，或者长期保存在自然环境下，材料不被水汽或其他气氛侵蚀，以确保光学镜面的质量不受损害。

（5）反射镜基体材料必须具备高度的均匀性。这种均匀性包括密度、机械性质及热性质。任何一方面的不均匀性都将对反射镜的加工及使用带来严重影响。

（6）其他要求，例如低制造成本、无毒及环境友好等。

2m量级碳化硅反射镜

几种反射镜材料的对比分析

目前，反射镜材料主要包括玻璃材料、低膨胀金属材料、陶瓷材料以及复合材料等。玻璃材料是第一代反射镜材料，常用的有ULE和Zerodur等。玻璃材料的热膨胀系数很低，且光学加工性能优良，但玻璃材料的热导率低，比刚度较差。

第二代反射镜材料是低膨胀金属材料，主要包括Al和Be等，金属材料的导热性能优良，但热膨胀系数相对较大，其面形精度容易受温度影响。同时Al的比刚度低，而金属Be虽然比刚度较高但有毒，对人体会产生致命损害，因此，在生产过程中需要有严格的安全措施。

碳化硅材料属于第三代反射镜材料。该材料化学稳定性好、耐空间粒子辐照性能优异、热膨胀系数低、弹性模量高，且具有较好的导热性能。

常见反射镜材料性能对比

从表中可以看出碳化硅材料具有最高的刚度，良好的导热性，较低的线膨胀系数，且可以制造大尺寸的镜坯，随着碳化硅材料在镜坯制造、改性、光学加工、镀膜等完整的光学零件加工工艺方法上逐渐成熟，在大口径的空间光学系统中尤为受到青睐。

碳化硅反射镜的烧结工艺

SiC陶瓷材料的制备工艺方式主要有：热压烧结工艺、反应烧结工艺、常压烧结工艺和化学气相沉积工艺（CVD）。其中热压烧结工艺由于工艺过程的限制，不适合制备形状复杂的反射镜镜坯；常压烧结工艺烧结过程镜坯的收缩率达到10%~15%，这种工艺对于制备精密尺寸的近净尺寸成型不利。

CVD技术制备SiC质反射镜，是将含有硅源（SiCl４）和碳源（CXHY）的气体共同导入反应炉，合成SiC后沉积在基板上。采用该工艺制备的镜体质量最好，但成本也最高，只有在特殊的情况下应用该技术。

反应烧结工艺可以制备大尺寸、形状复杂的SiC反射镜镜坯，并且反应烧结的制备温度相对较低、烧结时间周期短、镜坯制造成本低、烧结完成的结构致密，机械综合性能、热特性较优，符合超大口径反射镜的应用要求。

不同烧结工艺的SiC材料性能

世界上最大口径的碳化硅反射镜

中科院长春光机所根据国家重大战略需求和碳化硅陶瓷材料的发展趋势，于二十世纪末开始开展碳化硅反射镜制备技术的研究。团队创始人赵文兴研究员带领项目组历经十余年的刻苦攻关，突破了复杂结构碳化硅陶瓷预置体成型、素坯连接、致密化反应烧结等核心技术，先后研制出0.5~2m量级碳化硅反射镜，并成功应用于商用遥感、“天问一号”有效载荷、“高分”等型号任务。

4m量级碳化硅反射镜

为了进一步扩大技术领先优势，项目组于2009年提出了4m量级碳化硅反射镜的研究目标，在其后八年时间里，研究团队经历了数百次实验验证和四次烧结试验的失败，最终于2016年3月成功研制出第五块镜坯，成为世界上最大口径的碳化硅反射镜，镜坯直径达4.03m，重量1.7t。该镜坯于2018年完成光学加工和镀膜，其面形精度值和反射率等指标完全满足用户要求，目前已应用于工程项目。4m量级碳化硅反射镜的成功研制，打破了国外垄断，标志着我国大口径光学制造技术跻身国际先进行列，进一步巩固了我国在光学系统先进制造领域的领先优势，推动我国新型光学遥感技术实现跨越式发展。

参考来源：

[1]郭疆.碳化硅大口径空间反射镜设计与制造研究

[2]光之眼———碳化硅反射镜.硅酸盐通报

[3]张巍等.纤维增强碳化硅及其在光学反射镜中的应用

[4]赵文兴等.轻型碳化硅质反射镜坯体的制造工艺

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