碳化硅反射鏡的制備與加工
把一塊粗糙的、灰黑的碳化硅陶瓷塊鏡坯打造為光可鑒人的反射鏡,變化之大完全不亞于丑小鴨變天鵝。如何在得到較高表面質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現快速加工,則是材料學(xué)界一直以來(lái)的研究重點(diǎn)。
1.鏡坯的制造
制備SiC反射鏡坯的工藝有許多種,除了熱壓燒結、氣相沉積外,最有應用價(jià)值的是反應燒結法,具有成本低和可實(shí)現凈尺寸燒結等優(yōu)點(diǎn)。
反應燒結法流程為:利用SiC粉制得所需形狀的坯體,然后將該坯體在Si氣氛下燒結。整個(gè)工藝中關(guān)鍵點(diǎn)有以下幾個(gè):①燒結體中盡可能少氣孔和裂紋;③坯體具有輕量化結構。
2.銑磨粗拋
剛燒結出的碳化硅反射鏡坯必然是粗糙無(wú)比,因此它還需要研磨加工才能進(jìn)一步接近鏡子的形象,首先要做的就是粗磨。粗磨方法有兩種,一種是通過(guò)金剛石車(chē)床進(jìn)行加工;另一種是研磨法。
用金剛石車(chē)床進(jìn)行粗磨具有速度快的優(yōu)點(diǎn),但由于加工過(guò)程中產(chǎn)生的應力很大,金剛石刀頭會(huì )在光學(xué)面上留下較深的劃痕和破壞層。這些劃痕和破壞層為細磨和拋光帶來(lái)較大的困難,所以這種方法較少采用。在采用研磨法時(shí),磨具一般采用鑄鐵盤(pán)或碳化硅盤(pán),粗磨磨料一般是采用粒徑在100~200μm之間的碳化硅粉或碳化硼粉。碳化硅粉價(jià)格便宜,但硬度差,加工效率低;而碳化硼粉價(jià)格較貴,但硬度高,加工效率高。粗磨后,工件光學(xué)面面形精度的RMS應低于20μm。
3.表面改性
由于鏡坯粗磨后其表面粗糙度仍會(huì )較高,這種情況必然會(huì )產(chǎn)生較強的散射效應,降低光學(xué)表面的反射率,使整個(gè)光學(xué)系統無(wú)法實(shí)現較高的成像質(zhì)量。因此,為保證反射鏡在空間光學(xué)成像系統的正常運作,必須提高其反射率,而表面改性即是解決這一問(wèn)題的主要手段。
碳化硅材料表面改性主要是在其表面鍍致密化涂層,以改善碳化硅材料的可加工性能及覆蓋其表面缺陷。表面涂層技術(shù)是在嚴格的溫度條件下進(jìn)行的復雜化學(xué)物理反應,在表面致密化涂層過(guò)程中,必須考慮如下因素:涂層與碳化硅基體之間有較好的結合強度;涂層和碳化硅基體的熱膨脹系數要相匹配;涂層具備必要的硬度和抗化學(xué)腐蝕性能;不發(fā)生涂層再結晶化過(guò)程等。目前比較成熟的碳化硅表面致密化涂層技術(shù)有化學(xué)氣相沉積碳化硅(CVDSiC)和物理氣相沉積硅(PVDSi)等。
4.精密拋光與鍍膜
經(jīng)過(guò)表面改性后,有了涂層的SiC反射鏡與之前相比呈現出更少的表面缺陷。不過(guò)這還不夠,
合格的反射鏡還需要在改性層基礎上進(jìn)行精拋光,這種方式可以大幅改善光線(xiàn)在反射鏡表面的散射。最終可以使反射鏡的反射率達到95%以上。
這一步驟的拋光技術(shù)主要采用反應接觸式光學(xué)加工技術(shù)和非接觸式光學(xué)加工技術(shù),前者包括化學(xué)機械拋光、磁流變拋光技術(shù)(長(cháng)春光機所的4米量級碳化硅反射鏡就使用了這種拋光工藝)等;后者則包括浮法拋光等。與傳統機械拋光工藝相比,這些工藝在拋光過(guò)程中磨料與試樣表面的作用更輕柔,拋光后材料的次表面破壞層更少,表面殘余應力較小,加工效果較好,且無(wú)磨具磨損,標準面幾乎無(wú)變化,可重復獲得精密的工件表面。
不過(guò)這還沒(méi)完,可別忘記表面還需涂覆銀反射膜和防氧化膜才能算大功告成。就這樣,碳化硅陶瓷就能華麗變身,成為“光彩照人”的反射鏡啦!
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