專利名稱：蜂窩夾層結(jié)構(gòu)碳化硅基復(fù)合材料反射鏡及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于輕質(zhì)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)(表面粗糙度小于1納米)SiC基復(fù)合材料反射鏡的制備。特別涉及輕質(zhì)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC基復(fù)合材料反射鏡及制備工藝。
背景技術(shù)：
隨著科技發(fā)展及人們對宇宙的不斷認(rèn)識，人們的開發(fā)領(lǐng)域從地面轉(zhuǎn)向空間，各國科學(xué)工作者都不斷地致力于空間開發(fā)活動，特別是空間偵察活動，因為空間對地面?zhèn)刹煊衅洫毺氐膬?yōu)越性不受地域限制，可以看到地球上任何地區(qū)，實現(xiàn)全球覆蓋；獲取情報迅速、及時、直觀，可實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)偵察。為了提高空間探測器的地面分辨率，以達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益和軍事目的，通常采用長焦距和大相對孔徑的全反式或折反式的光學(xué)系統(tǒng)，因此光學(xué)零件的孔徑越來越大，質(zhì)量也越來越大，同時也帶來了衛(wèi)星質(zhì)量的增大，隨著衛(wèi)星質(zhì)量的增加，復(fù)雜程度和發(fā)射成本也隨之增加，因此人們開始致力于輕型空間探測器的研究。折反式或者全反式光學(xué)系統(tǒng)的主要光學(xué)零件是反射鏡，如何使這些反射鏡質(zhì)量減少，提高反射鏡的輕量化率，又能保證所要求的光學(xué)性能，是研究輕型空間探測器的關(guān)鍵技術(shù)之一。
研究表明，發(fā)展空間光學(xué)的新技術(shù)、高技術(shù)，傳統(tǒng)的空間材料已經(jīng)不適合目前空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必須研究和使用新的反射鏡材料和材料支撐體系，才能滿足輕型空間探測器的要求。
碳化硅(SiC)及其復(fù)合材料具有密度低、抗輻照性能好、熱學(xué)性能穩(wěn)定，比強度和比剛度高等優(yōu)點，是迄今為止最理想的輕質(zhì)反射鏡的鏡體材料。但是傳統(tǒng)工藝制備的SiC或其復(fù)合材料在制備高性能反射鏡存在一些難以克服的難題1、致密度。采用傳統(tǒng)的工藝制備的SiC材料很難完全致密，作為反射鏡的鏡面經(jīng)過光學(xué)加工后其表面粗糙度難以達(dá)到高分辨力反射鏡的要求。2、工藝性。由于SiC屬于共價鍵結(jié)構(gòu)，需要在高溫(大于1800℃)或在助劑下進(jìn)行燒結(jié)，因此其工藝性較差。3、加工性能。SiC材料由于其硬度高，因此其很難進(jìn)行輕量化加工。4、難以制備出高剛度的蜂窩結(jié)構(gòu)，缺少進(jìn)一步減重的潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有輕質(zhì)、高剛度、加工性能好、低粗糙度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC基復(fù)合材料反射鏡及工藝簡單、成本低的制備方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用下列技術(shù)方案一種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC基復(fù)合材料反射鏡，其特征在于它由上蓋板、具有蜂窩結(jié)構(gòu)的蜂窩夾層、下蓋板粘后經(jīng)滲硅燒結(jié)成整體。
一種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC基復(fù)合材料反射鏡的制備方法，其特征在于(1)、C/C多孔素坯的制備將短切碳纖維或碳?xì)峙c酚醛樹脂的乙醇溶液充分混合、分散，于150℃～200℃、0.2～0.3MPa壓力下加壓固化成型后，在裂解爐中碳化，溫度900℃～1000℃，時間1小時，升溫速率1～5℃/min，得到C/C多孔素坯，重復(fù)浸漬-裂解過程，可得到不同密度與氣孔率的C/C素坯，實現(xiàn)密度在0.5g/cm3～1.3g/cm3、氣孔率在70vol％～30vol％范圍；(2)、C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件的制備加工多孔C/C素坯至所需形狀的上蓋板、下蓋板、蜂窩夾層，采用有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)上蓋板、下蓋板、蜂窩夾層成C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件；(3)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC反射鏡坯體的燒結(jié)滲硅將C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件裝入含有硅粉的石墨坩堝中，在高溫真空爐中加熱至1450℃～1600℃上，同時保持爐內(nèi)真空狀態(tài)，滲硅0.5～3小時，得蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC反射鏡坯體；(4)、坯體表面致密涂層的制備首先對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射鏡坯體的表面進(jìn)行找平，面形精度為2～3μm，然后采用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝制備反射鏡的光學(xué)表面涂層，其主要工藝參數(shù)沉積原料三氯甲基硅烷(MTS)、沉積溫度900℃～1300℃，載氣H2流量100～400ml/min，稀釋氣體流量為0～400ml/min；(5)反射鏡面加工反射鏡經(jīng)粗磨成形、細(xì)磨拋光和精磨拋光三個過程進(jìn)行光學(xué)精密加工，即得本發(fā)明的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC基復(fù)合材料反射鏡。
本發(fā)明主要優(yōu)點在于(1)原材料工藝簡單，獲得容易，并且可加工性能好。由短切纖維或碳?xì)?，通過酚醛的浸漬和裂解制備的多孔C/C復(fù)合材料原料來源廣，成本低，并且多孔材料的可加工性能十分優(yōu)異，可通過數(shù)控機(jī)床加工成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的蜂窩。利用短切纖維或纖維氈作為SiC基復(fù)合材料的增強體，其優(yōu)點是可以保證坯體各向同性，最大限度地消除反射鏡坯體的內(nèi)應(yīng)力，從而保證反射鏡在使用過程中不變形。
(2)燒結(jié)溫度較低，尺寸變化小，可實現(xiàn)近凈尺寸成型。一般的陶瓷材料的燒結(jié)均需高溫和加入燒結(jié)助劑，而液相滲硅(LSI)制備SiC復(fù)合材料可在1450～1600℃實現(xiàn)陶瓷化。低溫?zé)Y(jié)有利于降低能耗和成本。另外，傳統(tǒng)陶瓷工藝的燒結(jié)過程收縮率大，難以制得尺寸精度要求高和形狀復(fù)雜的實用構(gòu)件，它們經(jīng)過燒結(jié)后的硬度均很高，難以實施精密機(jī)械加工。采用多孔C/C復(fù)合材料通過反應(yīng)燒結(jié)制備的C/SiC/Si復(fù)合材料尺寸變化小，可實現(xiàn)近凈尺寸成型。
(3)制備的蜂窩結(jié)構(gòu)剛度好，可以減少自身的自重變形和對抗外加載荷的變形，從而可以增大反射鏡的徑厚比，降低反射鏡的重量。
(4)采用致密的CVD SiC作為光學(xué)功能層，可以減少反射鏡表面缺陷，降低表面粗糙度，從而增加反射鏡的分辨率。


圖1為本發(fā)明反射鏡的組件示意圖；圖2為本發(fā)明反射鏡的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的A-A剖視圖；圖4為CVD SiC涂層后的本發(fā)明反射鏡的照片；圖5為本發(fā)明的反射鏡光學(xué)加工后照射實物的照片。
圖中各標(biāo)號為1、上蓋板2、蜂窩夾層3、下蓋板具體實施方式
實施例1如圖1、2、3所示，本發(fā)明的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)碳化硅基復(fù)合材料反射鏡由上蓋板1、具有蜂窩結(jié)構(gòu)的蜂窩夾層2、下蓋板3粘結(jié)后經(jīng)滲硅燒結(jié)成整體。其制備工藝如下步驟1、C/C多孔素坯的制備將碳?xì)纸n酚醛樹脂的乙醇溶液，于150℃加壓固化后，在裂解爐中碳化(溫度1000℃，時間1小時，升溫速率5℃/min)，并重復(fù)浸漬—裂解過程5次，得到C/C多孔素坯，素坯密度在1.1g/cm3、氣孔率35vol％。
步驟2、C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件的制備用數(shù)控機(jī)床加工多孔C/C素坯至所需形狀的上蓋板1、下蓋板3、蜂窩夾層2，采用有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)上蓋板1、下蓋板3、蜂窩夾層2成C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件。
步驟3、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC反射鏡坯體的滲硅燒結(jié)將C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件裝入含有硅粉石墨坩堝中，在高溫真空爐中加熱至1450℃，同時保持爐內(nèi)真空狀態(tài)3小時，從而制備出具有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的C/Si/SiC反射鏡坯體。坯體的典型性能見表1。
表1 C/SiC復(fù)合材料的性能

步驟4、坯體表面CVD致密涂層的制備CVD涂層前，需對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射鏡坯體的表面進(jìn)行找平，找平后面形精度為2～3μm。清洗樣品后，然后采用CVD工藝制備反射鏡的光學(xué)表面涂層，CVD主要工藝參數(shù)沉積原料MTS；沉積溫度1300℃；載氣H2流量400ml/min；稀釋氣體Ar流量為200ml/min。涂層后的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射鏡見圖4。
步驟5、反射鏡面加工反射鏡經(jīng)粗磨成形、細(xì)磨拋光和精磨拋光三個過程進(jìn)行光學(xué)精密加工，拋光后表面粗糙度Ra為0.372nm。如圖5所示為反射鏡光學(xué)加工后照射的實物照片。
實施例2步驟1、C/C多孔素坯的制備將短切碳纖維與酚醛樹脂的乙醇溶液充分混合、分散，于200℃加壓固化成型后，在裂解爐中碳化(溫度900℃，時間1小時，升溫速率1℃/min)，得到C/C多孔素坯，重復(fù)浸漬—裂解過程5次，可得到密度為1.3g/cm3的C/C素坯。
步驟2、3、4、5同實施例1中步驟2、3、4、5。
實施例3步驟1、2同實施例1中步驟1、2。
步驟3、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC反射鏡坯體的滲硅燒結(jié)將C/C蜂窩夾層結(jié)構(gòu)預(yù)制件裝入含有硅粉石墨坩堝中，在高溫真空爐中加熱至1600℃，同時保持爐內(nèi)真空狀態(tài)0.5小時，從而制備出具有蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的C/Si/SiC反射鏡坯體。
步驟4、5同實施例1中步驟4、5。
權(quán)利要求
1.一種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)碳化硅基復(fù)合材料反射鏡，其特征在于它由上蓋板、具有蜂窩結(jié)構(gòu)的蜂窩夾層、下蓋板粘結(jié)后經(jīng)滲硅燒結(jié)成整體。
2.一種如權(quán)利要求1所述的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)碳化硅基復(fù)合材料反射鏡的制備方法，其特征在于(1)、C/C多孔素坯的制備將短切碳纖維或碳?xì)峙c酚醛樹脂的乙醇溶液充分混合、分散，于150℃～200℃、0.2～0.3MPa壓力下加壓固化成型后，在裂解爐中碳化，溫度900℃～1000℃，時間1小時，升溫速率1～5℃/min，得到C/C多孔素坯，重復(fù)浸漬-裂解過程，可得到不同密度與氣孔率的C/C素坯，實現(xiàn)密度在0.5g/cm3～1.3g/cm3、氣孔率在70vol％～30vol％范圍；(2)、C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件的制備加工多孔C/C素坯至所需形狀的上蓋板、下蓋板、蜂窩夾層，采用有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)上蓋板、下蓋板、蜂窩夾層成C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件；(3)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC反射鏡坯體的滲硅燒結(jié)將C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件裝入含有硅粉石墨坩堝中，在高溫真空爐中加熱至1450℃～1600℃上，同時保持爐內(nèi)真空狀態(tài)，滲硅0.5～3小時，得蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC反射鏡坯體；(4)、坯體表面致密涂層的制備首先對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)反射鏡坯體的表面進(jìn)行找平，面形精度為2～3μm，然后采用化學(xué)氣相沉積工藝制備反射鏡的光學(xué)表面涂層，其主要工藝參數(shù)沉積原料三氯甲基硅烷、沉積溫度900℃～1300℃，載氣H2流量100～40ml/min，稀釋氣體Ar流量為100～400ml/min；(5)反射鏡面加工反射鏡經(jīng)粗磨成形、細(xì)磨拋光和精磨拋光三個過程進(jìn)行光學(xué)精密加工，即得本發(fā)明的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC基復(fù)合材料反射鏡。
全文摘要
一種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)碳化硅基復(fù)合材料反射鏡，由上蓋板、具有蜂窩結(jié)構(gòu)的夾層、下蓋板粘結(jié)后經(jīng)滲硅燒結(jié)成整體。其制備方法為將短切碳纖維或碳?xì)峙c酚醛樹脂的乙醇溶液混合、分散，加壓固化成型后在裂解爐中碳化，制備出C/C多孔素坯；加工多孔C/C素坯至所需形狀的上、下蓋板、蜂窩結(jié)構(gòu)夾層并粘結(jié)成蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件；將C/C蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制件裝入含硅粉的石墨坩堝中，在高溫真空爐中加熱并保持爐內(nèi)真空，滲硅，得蜂窩結(jié)構(gòu)SiC反射鏡坯體；制備坯體表面致密涂層；反射鏡經(jīng)光學(xué)精密加工，即得本發(fā)明的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)SiC基復(fù)合材料反射鏡。本發(fā)明的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)碳化硅基復(fù)合材料反射鏡具有輕質(zhì)、高剛度、加工性能好、低粗糙度等特點，其制備方法工藝簡單、成本低。
文檔編號G02B26/08GK1719286SQ20051003177
公開日2006年1月11日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者張長瑞, 周新貴, 曹英斌, 周浩, 王思青 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)