表面改性碳化硅基底反射鏡加工技術現狀

康 健，宣 斌，謝京江*

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光學系統先進制造技術重點實驗室，吉林長春130033；2.中國科學院大學，北京100049）

表面改性碳化硅基底反射鏡加工技術現狀

康 健1，2，宣 斌1，謝京江1*

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光學系統先進制造技術重點實驗室，吉林長春130033；2.中國科學院大學，北京100049）

針對表面改性SiC基底反射鏡在空間光學系統中的應用，總結了該類反射鏡在國內外的研究現狀。概括了碳化硅基底反射鏡的發展趨勢。介紹了常用的碳化硅材料，分析了它們的性質。給出了幾種常用的碳化硅鏡坯制備工藝，包括成型、改性和不同的拋光技術。通過對國內現有加工工藝和改性技術的分析，總結出了適應我國的表面改性碳化硅反射鏡加工的發展方向。

光學加工；碳化硅；碳化硅反射鏡；表面改性

1 引 言

隨著航空航天工業的飛速發展，世界各國對于空間光學系統的分辨率提出了越來越高的要求。空間反射鏡的材料不斷進步，相應的加工技術也隨之得到了較快的發展。20世紀的空間反射鏡主要采用微晶玻璃，熔石英等低膨脹系數的光學玻璃，其特點是具有良好的拋光性，可加工成很好的光學表面。但其自身強度較低，抗熱變形能力較差，同時難于進行輕量化處理，自身重量較大，大尺寸空間反射鏡的制造難度很大。擺鏡等空間反射鏡多采用金屬材料制成，主要使用鋁和鈹以及其合金材料。鋁及其合金材料具有抗變形能力差的特點，而鈹及其合金則含有劇毒，對加工者身體損傷巨大，且價格較為昂貴。所以金屬材料已不適用于現代的空間反射鏡加工材料。自20世紀70年代開始，新一代的反射鏡材料碳化硅（Silicon Carbide，SiC）和SiC基復合材料已開始應用于國外的空間反射鏡加工中。SiC和SiC基復合材料具有質量輕、比剛度大、熱穩定性好、導熱性能良好等特點，完全滿足空間反射鏡對材料的物理性能、光學性能和工藝性能的要求。近年來，我國對于SiC材料的反射鏡研究也取得了很大的進步，從材料的制備到光學加工等方面均有不同程度的提高，由我國自主研發的各類型表面改性SiC基底反射鏡已逐步應用于空間光學系統中［1-11］。

伴隨著材料的更新換代，加工技術也必須適應新的材料而做出改進。受SiC基底制備技術的限制，基底中通常含有Si和SiC兩相成分，或存在細微孔洞，這些都導致其無法通過直接加工獲得低表面粗糙度的光學鏡面［11-12］。以往的加工經驗通常認為SiC基底反射鏡在初拋光至λ/10（RMS值）后需對其進行表面改性處理，以解決上述問題。繼續對改性后的SiC鏡體進行拋光，可獲得較高質量的光學表面和較低的表面粗糙度。目前，SiC基底反射鏡的加工技術較為多樣化，但總體來說主要分為古典拋光法、計算機控制光學成型法、磁流變拋光法和離子束拋光法。

本文將近年來國內外SiC基底反射鏡的發展情況進行了系統性的總結，就我國SiC反射鏡的加工技術進行了分析。

2 SiC基底反射鏡應用現狀

圖1 ESA Herschel主鏡Fig.1 ESA Herschel primarymirror

近年來，世界各國均將SiC基底反射鏡作為研究重點。由于我國相關的研究起步較晚，目前仍處于相對落后的狀態。

2.1 國際情況

SiC基底反射鏡的研究至今已有近40年的歷史，自20世紀90年代以來發展迅速，各國均將其視為目前最為合適的空間反射鏡材料，研究成果也頗為顯著。

歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的Aladin主鏡為口徑1.5 m的SiC反射鏡，通過化學氣相沉積（CVD）改性并拋光后，其平均表面粗糙度為4.8 nm（RMS），總積分散射（Total Integrated Scattering，TIS）為（3.2±0.4）%@355 nm。同為ESA的Herschel太空望遠鏡是目前世界上最大的空間望遠鏡，其主鏡采用拼接技術，將12塊扇形SiC焊接成為一個整體，制成直徑為3.5 m的主反射鏡（如圖1）。焊接處使用Si合金，焊接處厚度通常小于0.05 mm。加工后的Herschel主鏡表面粗糙度Ra值小于6 nm［13］。

在美國，作為哈勃（Hubble）繼任者的新一代太空望遠鏡JWST望遠鏡，第二代Hopkins紫外望遠鏡等空間項目，以及美國國家彈道導彈防御系統（NMD）中，SiC及其復合材料均得到了大量的的應用［14-15］，同時，Eastman Kodak、POCO等公司已經實現了SiC材料反射鏡的商品化［9］。

2.2 國內情況

在我國，對于SiC材料及其復合材料的光學應用起步較晚，目前雖然在材料制備方面已基本做到與世界同步的水平，但在加工上仍處于相對落后的階段。目前，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院上海硅酸鹽研究所、哈爾濱工業大學以及國防科技大學等單位，都在進行SiC反射鏡應用技術的研制與開發，經過近年來的不斷研究與改進，已取得了較為豐碩的成果。近年來，由我國自主研制的多塊SiC反射鏡已成功應用于實際的空間光學系統中，均取得預期效果。

3 SiC材料的性質及常用種類

作為目前空間反射鏡的首選材料，SiC及SiC基復合材料具有良好的機械性能與物理性能，相比其它材料優勢明顯。同時，根據不同的制備工藝，制造的SiC鏡坯也存在較大差異。

3.1 SiC材料的性質

作為新型的空間光學反射鏡材料，需要其具有比剛度大、導熱性能好、熱膨脹系數低等特點，同時材料密度要小，并可進行輕量化處理，降低鏡體重量，還要具有較好的強度和硬度［16-17］。只有滿足上述各項需求，才能適應復雜的太空環境對于鏡面的沖擊。各種材料的物理性質對比如表1。

表1 SiC和傳統反射鏡材料的物理性質對比Tab.1 Com parison of SiC and traditionalm irror materials

由表1可知，SiC材料相比于其他各種空間反射鏡的備選材料，其各項性能的優勢較為明顯，可較好地滿足目前空間光學反射鏡的使用要求，同時輕量化處理程度較高，雖然密度較大但反射鏡重量卻最低，可極大降低光學系統的整體質量，節約發射成本。如今已成為空間反射鏡加工的首選材料。

3.2 常用的SiC種類

根據SiC制備工藝的不同，常用的SiC反射鏡坯主要分為熱壓燒結SiC（HP-SiC）、反應燒結SiC（RB-SiC）、無壓燒結SiC（Sintered SiC，S-SiC）和化學氣相沉積SiC（CVD-SiC）。以目前的工藝手段，HP-SiC很難制成形狀較為復雜的反射鏡鏡坯，且鏡坯尺寸較小，較難滿足現階段空間光學反射鏡大口徑化的趨勢；S-SiC制備工藝復雜，制造設備昂貴；CVD-SiC同樣存在造價昂貴，制備周期長，制備工藝相對復雜等不足。RB-SiC的制備工藝相對簡單，反應燒結所需溫度較低，制備周期短，造價相對較低，并可對其進行有效的輕量化處理，有利于制備大口徑、結構復雜的空間反射鏡鏡坯，已廣泛應用于我國現階段空間反射鏡的實驗與加工中［18-23］。表2給出了常用SiC各項技術指標對比。

表2 常用SiC技術指標對比Tab.2 Specifications of the commonly used SiC

4 SiC基底反射鏡加工技術分析

目前，世界各國對于SiC基底反射鏡的加工流程已相對成熟。在我國，有關SiC反射鏡的加工技術在經過多年的研究和摸索后，已逐漸形成了一些較為完善的加工工藝，雖各有不同，但基本可分為成型（銑磨加工及粗拋光）、改性和拋光等幾個階段（如圖2）。

圖2 表面改性SiC反射鏡加工工藝流程Fig.2 Processing flow ofmanufacture of SiCmirror

4.1 成 型

SiC反射鏡鏡坯制造完成后，由于其面形偏差較大且具有較大的加工余量，首先要做的是零件的銑磨成型。對于非球面零件，通常的加工方式有兩種，一種是將鏡坯銑磨至比較半徑的球面，再通過研磨修改為所需的非球面；另一種是通過數控加工中心直接將鏡坯銑磨至要求的非球面。前者對于加工者的要求較高，在研磨及拋光階段需要加工者根據經驗將零件修整成所需的非球面，后者對于設備的精度要求更高，因此相對成本也高于前者。

無論應用上述哪種方法將鏡坯銑磨成型后，都需要對SiC反射鏡鏡坯進行粗拋光加工。首先使用粒度較大的SiC粉或碳化硼粉進行粗磨。SiC粉價格便宜，但由于其硬度較低，加工效率不高；碳化硼粉相對價格較高，但其硬度較高，可提高加工效率，通常采用碳化硼粉對SiC反射鏡進行粗磨。粗磨后的SiC反射鏡表面面形精度應小于20μm（RMS值）［24］。粗磨后選用粒度較小的碳化硼粉或金剛石微粉對零件進行細磨。由于碳化硼的價格遠低于金剛石微粉，且加工效率近似，因此細磨階段多采用碳化硼粉作為研磨材料。細磨后的SiC反射鏡表面精度應小于1μm（RMS值），此后就可以對SiC反射鏡進行粗拋光加工。對于非球面反射鏡，若成型階段采用的是第一種加工方式，則需在粗磨及細磨的階段對鏡面進行非球面的修整，以獲得要求的非球面面形。

粗拋光階段通常采用粒度適中的金剛石微粉進行拋光。根據多年的實驗及實際加工經驗，通常認為將反射鏡基底拋光至λ/10（RMS）左右后需對其進行改性處理。

4.2 改 性

目前我國應用于實際工程的SiC反射鏡的基底材料主要為RB-SiC和S-SiC兩種。由于制備工藝的原因，RB-SiC中含有Si和SiC兩相成分，這就導致了在拋光時兩種成分的去除效率存在差異，容易在兩相成分的連接處產生臺階效應。SSiC雖然成分單一，但實際加工成的反射鏡鏡坯仍難以做到理論上的完全致密，鏡坯表面及內部仍存在大量孔洞。這就需要對粗拋光后的SiC反射鏡基底進行改性處理［25-28］。實踐證明，改性處理可以有效地填補鏡坯表面的細微孔洞，解決由于基底含有Si及SiC兩相成分對鏡面拋光所帶來的不利影響，降低鏡坯的表面粗糙度，使其能夠加工成更為理想的光學表面（如圖3）。

圖3 改性前后SiC測試片表面照片對比（500倍顯微鏡）Fig.3 Microstructures of a SiC sample before and after modifications（500×）

目前國際上主要采用化學氣相沉積法（Chemical Vaporous Deposition，CVD）和物理氣相沉積法（Physical Vaporous Deposition，PVD）兩種改性方法對SiC基底反射鏡進行表面改性處理。CVD改性處理雖然可以使SiC基底獲得很好的改性層，但是由于CVD改性技術在改性過程中要求溫度較高（通常在于1 000℃），易使SiC基底產生應力，造成基底面形改變，同時在制備過程中會產生廢氣，需對廢氣進行處理，在一定程度上增加了加工成本。另外，我國目前尚不具備用于制備大口徑基底的CVD改性設備。因此CVD改性技術更適用于相對較小口徑的SiC基底反射鏡的改性處理。PVD改性技術不僅不需要很高的溫度，同時通過PVD改性技術獲得的改性層為單質Si，既解決了基底中因含有SiC和Si兩相成分對加工所帶來的影響，且Si相對于SiC的硬度較低，更容易通過加工獲得良好的光學表面［29-36］。目前，我國用于制備大口徑SiC基底的PVD改性設備相對成熟可靠。在國內，多家研究單位均對SiC基底反射鏡的改性技術做了深入研究。其中，哈爾濱工業大學使用CVD改性技術對φ 250 mm反射鏡表面進行改性處理，經拋光后基底表面粗糙度Ra達到了1.478 nm［37］；中國科學院長春光學精密機械與物理研究所已經成功地運用PVD改性技術對一系列的大口徑SiC反射鏡進行了改性處理，改性效果良好。經加工后鏡面的表面粗糙度Ra達到小于0.6 nm的水平［38］。

4.3 拋 光

為使SiC反射鏡的面形精度達到設計要求，獲得理想的光學表面，經改性處理后的SiC反射鏡需要進行精拋光加工［39］。目前常用的拋光包括古典拋光、計算機控制光學成型法、磁流變拋光以及離子束拋光。

4.3.1 古典拋光

隨著科學技術的快速發展，眾多的新型拋光法不斷涌現，但古典拋光法仍然在各國的光學拋光中占據重要地位，原因在于其具有較低的加工成本和較高的面形加工精度。古典拋光法中最重要的就是對于拋光模的硬度、拋光粉粒度、拋光液濃度等的選擇，同時要求加工者熟練地控制主軸轉速、擺架速度等加工參數。可以說，古典拋光法對于加工者的經驗有較高的要求，同時針對口徑較大，精度較高的元件的加工周期較長。因此，古典拋光法更適用于平面元件和中小口徑的球面反射鏡拋光。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的李俊峰等人利用基于古典拋光技術的雙擺動拋光技術成功加工了多塊SiC非球面反射鏡，面形精度可穩定達到λ/30（RMS，@633 nm）［40］。

4.3.2 計算機控制光學成型法

計算機控制光學成型法（小磨頭技術）是一種基于計算機控制，使拋光盤以特定的速度和路徑在光學元件表面運動，通過計算控制拋光盤在不同區域的駐留時間，使光學元件表面各部分的去除量得到精確控制，從而獲得理想光學表面的數控拋光技術［41］。實際上，計算機控制光學成型法是將不同的去除量轉換為拋光盤在不同位置的駐留時間或拋光速度來實現對于面形的控制。計算機控制光學成型法適用于大口徑非球面反射鏡的加工，同時為了提高加工效率，可采用大直徑與小直徑拋光盤相結合的方式進行組合式拋光。利用大直徑的拋光盤消除鏡面的中頻誤差，通過小直徑的拋光盤來修整低頻誤差。同時配以手工拋光，可使零件在相對較短的時間內獲得理想的面形精度。以美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）的大口徑光學零件為例，波長介于0.12～33 mm為中頻誤差，主要對焦斑的拖尾和近場調制產生影響；波長大于33 mm為低頻面形誤差，主要影響反射鏡的聚焦性能［42-44］。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的張峰等人利用計算機控制光學成型技術加工650 mm× 200 mm的SiC離軸反射鏡一塊，面形精度為0.023λ（RMS，@633 nm），表面粗糙度優于1 nm［45］，非球面數控加工設備如圖4所示。

圖4 非球面數控加工設備Fig.4 Computer controlled machine for aspheric surface

4.3.3 磁流變拋光

磁流變拋光技術是利用磁性流體對光學鏡面進行拋光的一種較為新型的拋光技術。其主要原理是將磁流變拋光液通過拋光盤循環地帶入零件與拋光盤之間，而磁流變拋光液會在磁場的作用下形成柔性拋光模，從而在其運動過程中對零件的表面材料產生去除作用［46］。圖5給出了磁流變拋光系統的控制原理示意圖。

圖5 磁流變液循環控制系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of the magnetic rheological polishing

自20世紀70年代日本學者首次通過磁流變技術對光學元件表面進行研磨實驗后，越來越多的人通過各種不同的方法將磁場輔助技術應用于光學拋光中。在我國，西安工業大學的王芳杰等人通過磁流變技術將初加工后未經研磨的SiC元件直接進行磁流變拋光，表面粗糙度Ra達到了0.52 nm［47］，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的張峰等人通過磁介質輔助拋光技術將SiC元件的面形誤差修正至0.015λ，表面粗糙度Ra達到0.64 nm。以上實驗均證明了磁流變拋光技術適用于SiC元件的拋光加工［48］。

4.3.4 離子束拋光

圖6 離子束拋光設備Fig.6 Ion beam polishing equipment

離子束拋光技術是一種通過離子源發射離子束轟擊光學零件表面產生物理濺射效應去除面形誤差的新型拋光技術，近年來已逐漸應用于大口徑光學元件的加工。離子束拋光技術的加工效率較高，加工精度要求在λ/10至λ/30的φ70 mm的球面零件僅需不到1 h。但同時，高昂的設備費用使得離子束拋光技術并不能得到廣泛的應用，目前國內僅有國防科技大學，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等幾家單位開展了相關的實驗及加工工作。國防科技大學的廖文林等人使用離子束拋光技術對125 mm×200 mm的SiC離軸反射鏡進行加工，全口徑RMS值達到0.046λ［49］，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的張峰應用離子束拋光技術對600 mm× 200 mm的空間相機表面改性SiC平面反射鏡進行拋光，最終面形精度達到0.014λ（RMS值），表面粗糙度達到0.71 nm（RMS值）［50］。

5 結束語

隨著世界各國航空航天事業及軍事方面的飛速發展，SiC基底反射鏡的應用已經越來越廣泛。目前，我國現有的表面改性SiC基底反射鏡的加工技術受限于加工經驗、加工設備等各方面的因素，且尚處于起步階段，與國際領先水平仍存在明顯差距，但各研究機構通過多年的努力已取得十分明顯的進步。為使我國在國際競爭中處于領先位置，根據國內現有研究條件，只有進一步改進并完善現有加工工藝，以計算機控制光學成型技術為基礎，根據不同加工需求配合多種不同種類的拋光技術，即以組合式拋光技術進行光學加工，以實現目標精度要求，更好地適應我國航空航天事業發展的需求。

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Manufacture technology status of surface modified silicon carbidem irrors

KANG Jian1，2，XUAN Bin1，XIE Jing-jiang1*
（1.Key Laboratory of Optical System Advanced Manufacturing Technology，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）
*Corresponding author，E-mail：jjxie@ciomp.ac.cn

On the basis of the applications of surfacemodified silicon carbinemirrors in space optical systems，this paper summarizes the research status and developing trends of this kinds ofmirrors athome and abroad.It introduces the widely used silicon carbidematerials and their different properties，then gives several kinds of preparation technics of the silicon carbidemirror blanks，such asmoulding，modification and different polishingmethods.Based on the analysis ofmanufacture and modification process，a way to improve themanufacture technology of silicon carbidemirrors in China is summed up.

opticalmanufacture；silicon cabide；silicon cabidemirror；surfacemodification

TH706；TN304.24

A

10.3788/CO.20130606.0824

康 健（1984—），男，吉林長春人，碩士研究生，2007年于長春理工大學獲得學士學位，主要從事大口徑非球面加工及檢測方面的研究。E-mail：kangjian0116 @hotmail.com

謝京江（1954—），男，北京人，研究員，博士生導師，主要從事先進光學精密加工與檢測方面的研究。E-mail：jjxie@ ciomp.ac.cn

宣 斌（1983—），男，江蘇南通人，博士，副研究員，2005年于浙江大學獲得學士學位，2010年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事光學檢測及中頻誤差方面的研究。E-mail：xbjsnt@sina.com

1674-2915（2013）06-0824-10

2013-10-10；

2013-11-15

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目