CAC2025 广(guang)州先进陶瓷(ci)论(lun)坛暨(ji)展览会
2025年5月26-28日 美丽豪酒店（广州番禺店）
400多年前，伽利(li)略发明了第(di)一台(tai)光学(xue)望远镜，将遥远的星空拉近到目之(zhi)所及，同时也开启了人类利(li)用光学(xue)仪器的科学(xue)探索之(zhi)路。
正在建造的欧(ou)洲(zhou)极大望远镜，它被誉为“地球望向天空的最大的眼睛”
说到(dao)光学(xue)望远(yuan)镜(jing)，顾名(ming)思义，它是利用可(ke)见光完成(cheng)成(cheng)像的(de)(de)，目前的(de)(de)光学(xue)望远(yuan)镜(jing)有反射(she)式(shi)和(he)折射(she)式(shi)两种，而现(xian)代大(da)型的(de)(de)光学(xue)望远(yuan)镜(jing)系统(tong)均(jun)采用反射(she)式(shi)结(jie)构，因为反射(she)式(shi)望远(yuan)镜(jing)没有色差的(de)(de)困扰，可(ke)实现(xian)紫外(wai)线(xian)(xian)到(dao)红外(wai)线(xian)(xian)的(de)(de)大(da)范(fan)围观测。如(ru)果把大(da)型光学(xue)望远(yuan)镜(jing)比作人类(lei)的(de)(de)“千里眼”，那么主反(fan)射(she)镜就是这只“千里眼”的核心部件——“角膜”。
国际上常用的反射镜基体材料有石(shi)英玻璃(li)(li)、微晶玻璃(li)(li)、碳化(hua)硅、金属(shu)铍，以及碳纤(xian)维/碳化硅复合材料等。与其他材料相比，碳化硅(SiC)具(ju)有更(geng)大的比刚(gang)度（E/ρ）和热稳定性(λ/α)，这使得在实现同样的光学口径和精度要求下，碳化硅反射镜具有更小的重量、更优的热稳定性。
完美(mei)倒(dao)映出帅(shuai)气面容(rong)的4米(mi)量(liang)级碳化硅反射镜
有关(guan)资(zi)料(liao)表明，碳化硅质反(fan)射镜(jing)与微晶玻璃镜(jing)体相比，其轻量化程度大于(yu)70%，重量减轻近一半，面形变化比微晶玻璃小1倍，且可进一步进行优化。因此碳化硅也成为大口径反射镜镜坯材料中的佼佼者——如2018年7月时，中国科学院长春光学精密器械与物理研究所就完成了4.03米大口径碳化硅反射镜研制，是当时世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。
表 碳化硅材料(liao)与其他常用(yong)光学(xue)材料(liao)的主要物理性质
碳化硅反射镜的(de)制(zhi)作难点
随着技术发(fa)展，碳化硅(gui)反射镜的应用领域正在不(bu)断扩大，在空(kong)间对地观(guan)测(ce)、深(shen)空(kong)探测(ce)、天(tian)文观(guan)测(ce)和量子通讯(xun)等方面都能看到它的身影(ying)。
但是，这些高性能(neng)空间光(guang)学元件往(wang)往(wang)会要求具有(you)超(chao)光(guang)滑表(biao)(biao)面（表(biao)(biao)面粗糙度<1nm RMS），因此碳化硅材料在反射镜应用方面主要面临以下两方面困难：一方面，由于SiC材料比刚度大，化学稳定性高，很难通过机械力抛光的方法直接获得高质量的SiC光学镜面；另一方面，非常难以直接制备完全致密的SiC材料，残留的气孔等缺陷会影响光学加工质量，最终影响镜面质量。不(bu)过令人意外的是，后者的影响(xiang)其实远比(bi)前(qian)者要小。
曾有科学家研究(jiu)过(guo)密(mi)(mi)度对(dui)对(dui)光(guang)学镜(jing)面(mian)(mian)(mian)加工(gong)(gong)质(zhi)量的(de)(de)(de)影响，初步研究(jiu)结果如下图所示，在相同加工(gong)(gong)工(gong)(gong)艺条(tiao)件下，碳化硅(gui)(gui)陶瓷(ci)(ci)密(mi)(mi)度对(dui)光(guang)学镜(jing)面(mian)(mian)(mian)加工(gong)(gong)质(zhi)量确实有一定(ding)(ding)影响。当(dang)采用(yong)一定(ding)(ding)粒度的(de)(de)(de)金(jin)刚石抛(pao)光(guang)液对(dui)碳化硅(gui)(gui)陶瓷(ci)(ci)试样进行光(guang)学镜(jing)面(mian)(mian)(mian)加工(gong)(gong)时(shi)，低(di)密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)碳化硅(gui)(gui)陶瓷(ci)(ci)光(guang)学镜(jing)面(mian)(mian)(mian)加工(gong)(gong)后表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度较(jiao)高，高密(mi)(mi)度的(de)(de)(de)碳化硅(gui)(gui)陶瓷(ci)(ci)光(guang)学镜(jing)面(mian)(mian)(mian)加工(gong)(gong)后表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度较(jiao)低(di)。
碳化(hua)硅(gui)密(mi)度对光学镜面加工质量的(de)影响
通过光(guang)(guang)学显微镜观察(cha)，碳(tan)化硅(gui)陶瓷光(guang)(guang)学镜面(mian)(mian)(mian)(mian)加工后表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)缺陷主要表(biao)现为气孔(kong)或缺陷，密度较高的碳(tan)化硅(gui)陶瓷试样光(guang)(guang)学镜面(mian)(mian)(mian)(mian)加工后，表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)气孔(kong)或缺陷更(geng)少(shao)，表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)质(zhi)量更(geng)好(hao)。另外，降低磨(mo)粒尺寸有利(li)于表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)质(zhi)量的提高。
如上所述，碳化硅(gui)陶瓷密度对光学镜(jing)面加工质量有一(yi)定影(ying)响(xiang)，但由图可知(zhi)，在一(yi)定密度范围内（3.09～3.13 g·cm³），光学镜面加工质量差别不大，若进一步改善加工工艺，采用粒度更小的抛光液对碳化硅陶瓷试样进行光学镜面加工后，均可得到较好的表面质量。这说明，当(dang)碳化硅陶瓷密度(du)达到一定高度(du)时，密度(du)对光学(xue)镜(jing)面(mian)加(jia)(jia)工质量的影响可通(tong)过(guo)光学(xue)镜(jing)面(mian)加(jia)(jia)工工艺的优化而减小或消除，即影响碳化硅(gui)陶瓷光(guang)学(xue)镜面(mian)加(jia)工(gong)质量的主(zhu)要因素表现(xian)为加(jia)工(gong)工(gong)艺参数，而(er)密度对(dui)光(guang)学(xue)镜面(mian)加(jia)工(gong)质量的影响则可以忽(hu)略。
因(yin)此综合来看(kan)，为使SiC材料具有超光滑表面以满足光学应用要求，目前常用的解决办法主要是：对SiC材料进行表面改性，其方式为在SiC镜体光学表面镀致密化涂层，然后对涂层进行抛光。
碳(tan)化硅(gui)反射镜的(de)制备与加工(gong)
把一块粗糙的(de)(de)(de)(de)、灰黑(hei)的(de)(de)(de)(de)碳化硅(gui)陶(tao)瓷块镜坯(pi)打造为光可鉴人的(de)(de)(de)(de)反射镜，变(bian)化之大完(wan)全不亚(ya)于(yu)丑(chou)小鸭变(bian)天(tian)鹅，具(ju)体(ti)的(de)(de)(de)(de)制备(bei)流程可看下(xia)图。如何(he)在得到(dao)较高表面质量的(de)(de)(de)(de)同时(shi)实现快速(su)加工，则是材料(liao)学界一直以来(lai)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)重点。
大口径反射镜制造(zao)流程
1.镜(jing)坯(pi)的制造
制(zhi)备SiC反射镜坯(pi)的工艺有(you)许多种，除了热压烧结、气相沉积(ji)外(wai)，最有(you)应(ying)用价(jia)值(zhi)的是反应(ying)烧结法，具有(you)成本低和可实现(xian)净(jing)尺寸烧结等优点。
反应烧结(jie)法流程(cheng)为：利用SiC粉制得所需形状的坯体，然后将该坯体在Si气氛下烧结。整个工艺中关键点有以下几个：①烧结体中尽可能少气孔和裂纹；③坯体具有轻量化结构。
2.铣磨粗抛
刚烧(shao)结出的碳(tan)化(hua)硅反射镜坯(pi)必然(ran)是粗糙无(wu)比，因此它还需要研磨加工才能进(jin)一步接近镜子的(de)形象(xiang)，首先要做的(de)就是粗磨。粗磨方法有两种(zhong)，一种是通过金刚石车床进(jin)行加工；另一种(zhong)是研磨法。
用金刚石车床进行粗磨具有速度(du)快的优(you)点，但由于加工(gong)过程中产(chan)生(sheng)的(de)应(ying)力很大，金(jin)刚石(shi)刀(dao)头会在光学面(mian)上留下较(jiao)深的划(hua)痕和(he)破坏层(ceng)。这些划(hua)痕和(he)破坏层(ceng)为细磨和(he)抛光带来较(jiao)大的困难(nan)，所以这种方法较少采(cai)用。在采(cai)用研(yan)磨(mo)法时，磨(mo)具(ju)一(yi)般(ban)采用铸(zhu)铁(tie)盘或碳(tan)化硅盘，粗磨磨料一般(ban)是采用粒径在100~200μm之间的碳化硅粉或碳化硼粉。碳化硅粉价格便宜，但硬度差，加工效率低；而碳化硼粉价格较贵，但硬度高，加工效率高。粗磨后，工件光学面面形精度的RMS应低于20μm。
毛坯经初步铣磨后的表面状态
3.表面(mian)改(gai)性(xing)
由于镜坯粗(cu)磨后其表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度仍会(hui)较高(gao)，这种情况必然(ran)会(hui)产生(sheng)较强的(de)(de)散射(she)效应(ying)，降(jiang)低光(guang)学表(biao)面(mian)的(de)(de)反(fan)射(she)率，使整(zheng)个光(guang)学系(xi)统无(wu)法实现较高(gao)的(de)(de)成像质(zhi)量(liang)。因此(ci)，为保证(zheng)反(fan)射(she)镜在空间光(guang)学成像系(xi)统的(de)(de)正常(chang)运作，必须提高(gao)其反(fan)射(she)率，而表(biao)面(mian)改(gai)性即是解(jie)决(jue)这一问题的(de)(de)主要手段。
碳(tan)化硅材(cai)料表面(mian)改性主要是在其表面(mian)镀致密(mi)化(hua)涂层，以改善(shan)碳(tan)化硅材料的可加(jia)工性能及覆盖其表面缺(que)陷。表面涂层技术是(shi)在严格的(de)温度条(tiao)件下进行的(de)复(fu)杂(za)化学(xue)物理(li)反应，在表面致密化(hua)涂层过程(cheng)中，必(bi)须考虑如下因素(su)：涂层与碳化硅基体(ti)之间有(you)较好的结合(he)强(qiang)度；涂层和碳化硅(gui)基体的热膨胀系数要相匹配；涂层具备必要的硬度和抗化学腐蚀(shi)性(xing)能；不(bu)发生涂层再结晶化过程等。目(mu)前比较(jiao)成(cheng)熟(shu)的碳化(hua)(hua)硅表面致密化(hua)(hua)涂层技术(shu)有化(hua)(hua)学气相沉积碳化(hua)(hua)硅（CVD SiC）和物理气相沉积硅（PVD Si）等。
碳化硅表(biao)面改性(xing)前后散射(she)性(xing)能对比
4.精密(mi)抛光(guang)与镀膜
经(jing)过表面改性后，有(you)了涂(tu)层的SiC反射镜与之前相比呈现出更少的表面缺陷。不过这还不够，合格的(de)反射(she)镜还需要在(zai)改性(xing)层基础上进行(xing)精抛(pao)光(guang)，这种方(fang)式可(ke)以(yi)大幅改善(shan)光(guang)线在(zai)反射镜表面的散射。最终可(ke)以(yi)使反射镜的反射率达到(dao)95%以上。
这一步骤的(de)(de)抛(pao)(pao)光技(ji)术(shu)(shu)(shu)主要采用反应接触(chu)式光学(xue)(xue)加工技(ji)术(shu)(shu)(shu)和(he)非接触(chu)式光学(xue)(xue)加工技(ji)术(shu)(shu)(shu)，前者包括(kuo)化(hua)学(xue)(xue)机械抛(pao)(pao)光、磁(ci)流变抛(pao)(pao)光技(ji)术(shu)(shu)(shu)（长(zhang)春光机所的(de)(de)4米量级碳化硅反射镜就使用了这种抛光工艺）等；后者则包括浮法抛光等。与传统机械抛光工艺相比，这些工艺在抛光过程中磨料与试样表面的作用更轻柔，抛光后材料的次表面破坏层更少，表面残余应力较小，加工效果较好，且无磨具磨损，标准面几乎无变化，可重复获得精密的工件表面。
磁流变抛光
不过这还(hai)没完，可别忘(wang)记表面还需涂覆银反射膜和(he)防氧(yang)化(hua)膜才能(neng)(neng)算大功告(gao)成。就(jiu)这样，碳(tan)化硅陶瓷(ci)就(jiu)能(neng)(neng)华(hua)丽变身，成为“光彩照人”的反射镜啦！
资料来(lai)源：
碳化硅(gui)表面改性(xing)和光学镜面加工的研究(jiu)现状，刘桂玲，黄政(zheng)仁，刘学建，董(dong)绍明，江东亮。
碳化硅光学镜面加工，范(fan)摘(zhai)，张(zhang)忠玉，牛(niu)海燕，丰玉琴，张学(xue)军。
碳化硅陶瓷密度对(dui)光学镜面加(jia)工质(zhi)量的影(ying)响，刘桂(gui)玲，黄(huang)政仁，陈健(jian)，刘学(xue)建，江东亮(liang)。
且(qie)说(shuo)“千(qian)里(li)眼(yan)”的“角膜(mo)”，中国科(ke)学院长(zhang)春光学精密机械(xie)与物(wu)理研究所。
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