空間大口徑輕質(zhì)反射鏡材料研究進(jìn)展

（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024）

0 引言

反射鏡作為空間光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,是大型太空望遠(yuǎn)鏡、探測(cè)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、高分辨率相機(jī)等系統(tǒng)的重要組成部分。隨著空間成像技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空間光學(xué)系統(tǒng)的要求越來越高。除了滿足鏡面的高分辨率要求之外，還要求反射鏡具有良好的成像質(zhì)量[1]，大口徑、長(zhǎng)焦距是航空光電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。因此，提出輕質(zhì)反射鏡的設(shè)計(jì)方案可以在不影響反射鏡口徑的條件下提高空間反射鏡的工作性能。目前,反射鏡常用材料有低膨脹石英玻璃、微晶玻璃、鈹、碳化硅等材料。玻璃材料低膨脹石英玻璃和微晶玻璃均已經(jīng)在對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中得到廣泛應(yīng)用。但作為玻璃材料，其彈性模量較低。因此，碳化硅和鈹?shù)染哂懈邚椥阅Ａ康暮罄m(xù)材料得到了極大發(fā)展[3]。其中，鈹具有低密度、高比熱和熱導(dǎo)率的性能，使其成為極具潛力的空間輕質(zhì)反射鏡材料。本文主要介紹了光電系統(tǒng)中反射鏡常用材料的特性及發(fā)展現(xiàn)狀。

1 反射鏡常用材料與性能對(duì)比

由于反射鏡的研發(fā)存在很多制約因素，不同的工作環(huán)境對(duì)反射鏡材料的需求不同。空間反射鏡處于無重力或微重力，低溫與溫差大，還要考慮發(fā)射時(shí)的載荷要求[4]，這就要求選擇符合系統(tǒng)要求的反射鏡材料。空間大尺寸反射鏡的制作要求所用材料熱變形系數(shù)小，比剛度大，表面粗糙度小。目前,反射鏡常用材料有低膨脹石英玻璃、微晶玻璃、鈹、碳化硅等，性能參數(shù)如表1所示。

表1 典型反射鏡材料的性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of typical mirror materials

通過對(duì)以上反射鏡材料各項(xiàng)性能的分析可見，每種材料都具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。碳化硅的熱性能和機(jī)械性能優(yōu)異，但光學(xué)性能較差，通常只能作為反射鏡片的基體材料，化學(xué)氣相沉積碳化硅（CVD-SiC）除具有碳化硅材料的優(yōu)點(diǎn)外，可以加工高精度光學(xué)表面，但這種材料難以制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。鈹金屬在所有光學(xué)材料中比剛度最大且密度低，熱膨脹系數(shù)低，同時(shí)也和大多數(shù)光學(xué)設(shè)備上的鍍層材料的熱膨脹系數(shù)接近，但是其具有毒性，加工困難，成本增加。玻璃材料（低膨脹石英玻璃、微晶玻璃）具有極低的熱膨脹系數(shù)，但機(jī)械性能差，剛度低，在同等重力變形下所制造的鏡片重量很大，發(fā)射成本極高，所以如何減輕重量是玻璃材料的主要問題，同時(shí)，較低的彈性模量極大限制了其在光電系統(tǒng)的應(yīng)用[5]。

2 反射鏡典型材料和新型復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀

SIC和鈹?shù)染哂懈邚椥阅Ａ康暮罄m(xù)材料得到了極大發(fā)展。當(dāng)前，新型復(fù)合材料在空間反射鏡領(lǐng)域發(fā)展很快，例如C/SiC、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料等。

2.1 低膨脹石英玻璃

低膨脹石英玻璃是一種摻二氧化鈦石英玻璃，具有極低的熱膨脹系數(shù)。冷熱加工性能優(yōu)良，可以通過高溫熔接法、低溫熔接法、熔接物封接法等工藝制成封閉式蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖1所示，輕量化的同時(shí)又很好彌補(bǔ)了材料力學(xué)性能的不足[3]。低膨脹石英玻璃材料制備成熟，光學(xué)加工和工程應(yīng)用趨于完善，如NASA哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡坯（圖2）。我國(guó)多個(gè)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星如GF-1、GF-4等都應(yīng)用了低膨脹石英玻璃反射鏡。在國(guó)內(nèi)，3m直徑的超低膨脹玻璃反射鏡相關(guān)技術(shù)研究已相對(duì)成熟，對(duì)疊層構(gòu)型組件進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化，已達(dá)到工程應(yīng)用要求[6]。中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司顧真安院士通過系統(tǒng)研究氣相沉積法，得出了化學(xué)成分摻雜量與膨脹系數(shù)的線性關(guān)系。膨脹系數(shù)隨二氧化鈦含量增加而降低，且二氧化鈦含量對(duì)膨脹系數(shù)的影響隨溫度升高而增大。玻璃熔制過程中熔體顏色隨二氧化鈦含量增加而逐漸變紅，含量超過8%而逐漸變藍(lán)，超過12%出現(xiàn)藍(lán)灰色析晶層[7]。所生產(chǎn)的超低膨脹石英玻璃在膨脹系數(shù)及尺寸等關(guān)鍵指標(biāo)上達(dá)到國(guó)際水平，成功填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

圖1 蜂窩結(jié)構(gòu)低膨脹石英玻璃Fig.1 Low expansion quartz glass with honeycomb structure

圖2 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡主鏡坯Fig.2 Hubble Space Telescope primary mirror blank

2.2 微晶玻璃

微晶玻璃是鋰鋁硅系玻璃為主，經(jīng)過受控晶化處理，使玻璃體內(nèi)析出含鋰鋁硅酸鹽的β-SiO2固溶體微小晶體。析出固溶體的負(fù)熱膨脹特性，與微晶玻璃自身的正膨脹系數(shù)相結(jié)合，經(jīng)設(shè)計(jì)可使得微晶玻璃近乎達(dá)到零膨脹[8]。微晶玻璃比低膨脹石英玻璃更易加工。陸基望遠(yuǎn)鏡大量使用了微晶玻璃，如坐落于中國(guó)天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的LAMOST巡天望遠(yuǎn)鏡，其由一塊反射校正鏡和一個(gè)直徑6.3m的球面主鏡組成，該主鏡就是由37個(gè)1.1m六角形微晶玻璃鏡坯單元拼接而成，如圖3所示。肖特公司在4.2m口徑內(nèi)的各種微晶材料可以進(jìn)行常規(guī)生產(chǎn)[9]。在國(guó)內(nèi)，微晶玻璃在建筑、電子、化工等領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行得到研究與應(yīng)用，但在空間反射鏡方面，國(guó)內(nèi)只有兩家機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超低膨脹微晶玻璃的生產(chǎn)，且玻璃種存在氣泡較多，與國(guó)外差距很大。北京中材人工晶體研究院有限公司經(jīng)過科技攻關(guān)，突破了微晶玻璃的大量關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)600mm口徑微晶玻璃小批量生產(chǎn)，性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，打破國(guó)外壟斷，滿足了國(guó)內(nèi)軍工國(guó)防配套領(lǐng)域的急需[10]。

圖3 中國(guó)天文臺(tái)LAMOST巡天望遠(yuǎn)鏡主鏡Fig.3 The main mirror of LAMOST

2.3 碳化硅

SiC具有彈性模量較高、導(dǎo)熱系數(shù)及比剛度高、熱變形系數(shù)低等優(yōu)良性能。因制造工藝不同，碳化硅的性能會(huì)有很大的差異，可分為普通燒結(jié)碳化硅、熱（等靜）壓燒結(jié)碳化硅（HP-SiC）、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（RB-SiC）、化學(xué)氣相沉積碳化硅（CVD-SiC）等。采用化學(xué)氣相沉積方法是通過沉積熱解在表面生成β-SiC涂層，其涂層完全致密化，同時(shí)具有很高的純度、優(yōu)良的熱導(dǎo)率、高比剛度及優(yōu)異的可拋光性能[11]。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅具有生產(chǎn)效率高、成本低、可以生產(chǎn)復(fù)雜且精度極高的零件等優(yōu)點(diǎn)。歐洲航天局空間項(xiàng)目赫謝爾遠(yuǎn)紅外線望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用了SiC反射鏡技術(shù)，如圖4，其口徑3.5m碳化硅主鏡是目前空間望遠(yuǎn)鏡單體主鏡之最。國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及國(guó)防科技大學(xué)等都進(jìn)行著SiC反射鏡應(yīng)用技術(shù)研究工作，其中長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所已制備出符合工程應(yīng)用需要的4m口徑碳化硅基底材料[12]。

圖4 赫謝爾望遠(yuǎn)鏡3.5m口徑SiC主鏡Fig.4 SiC primary mirror with 3.5m diameter in Herschel’ telescope

2.4 鈹與鈹鋁合金

金屬鈹作為一種空間反射鏡材料具有多種優(yōu)勢(shì)，例如密度為1.85，是前述材料中密度最小的。鈹為金屬材料，彈性模量較大，可進(jìn)行輕量化加工進(jìn)一步減輕重量。鈹材料具有尺寸穩(wěn)定性高、熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。鈹反射鏡的裝調(diào)可靠性較高，更適合用于有效載荷運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的掃描鏡、指向鏡等。鈹主要采用熱等壓工藝（HIP）、冷等壓工藝（CIP）和金屬鈹粉末的冷壓成型等[13]。同時(shí)，鈹?shù)难趸顱eO比鈹金屬易脆，對(duì)拋光后性能產(chǎn)生影響，因此需要在其基體結(jié)合致密的鍍層以彌補(bǔ)直接拋光后性能的缺失，同時(shí)也要求鍍層材料與鈹金屬在熱膨脹系數(shù)與結(jié)合力相匹配[14]。鈹鋁合金作為光電系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，能滿足輕質(zhì)量與高剛度的要求，其高熱導(dǎo)率和低膨脹系數(shù)有利于視軸的熱穩(wěn)定并能和鈹反射鏡進(jìn)行很好配合。目前發(fā)達(dá)國(guó)家已成功將金屬鈹材料應(yīng)用于大口徑反射鏡的研發(fā)，美國(guó)低溫空間望遠(yuǎn)鏡JWST（James Webb Space Telescope）[15]的口徑6.5m主鏡由18 塊1.5m正六邊形非球面反射鏡拼接而成，如圖5所示，其1.5m正六邊形鈹反射鏡是目前口徑最大單體鈹反射鏡，代表了世界最高水平。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的掃描鈹反射鏡用于風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星。中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司研制的口徑為450mm鈹表面玻璃化反射鏡成功應(yīng)用在中巴地球資源1號(hào)04星上。

圖5 美國(guó)低溫空間望遠(yuǎn)鏡JWST主鏡Fig.5 Primary mirror in JWST

2.5 新型復(fù)合材料

2.5.1 C/SiC復(fù)合材料

C/SiC復(fù)合材料與傳統(tǒng)SiC陶瓷材料相比，密度更低，且脆性得到明顯改善。德國(guó)最早開發(fā)了C/SiC材料用于輕型光學(xué)反射鏡的制作[16]，目前可以制作出3m尺寸的大型反射鏡，用于開發(fā)NGST的大尺寸C/SiC反射鏡[17]。此外，美國(guó)、日本、加拿大通過對(duì)C/SiC復(fù)合材料性能的不斷改善，用于開發(fā)大尺寸天文望遠(yuǎn)鏡。國(guó)內(nèi)對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行研究的機(jī)構(gòu)很多，對(duì)C/SiC復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和性能開發(fā)都具有一定的基礎(chǔ)，但將C/SiC復(fù)合材料應(yīng)用于反射鏡材料領(lǐng)域還較少[18]。

2.5.2 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

CFRP熱穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，彈性模量低，成本低，且密度小，這使其在未來大口徑輕質(zhì)反射鏡的研發(fā)上具有較大優(yōu)勢(shì)[19]。英國(guó)、法國(guó)以及美國(guó)在多個(gè)項(xiàng)目上成功開發(fā)出CFRP反射鏡[20]。從國(guó)內(nèi)看來，CFRP反射鏡還處于實(shí)驗(yàn)階段，很多技術(shù)還不能滿足光學(xué)鏡面的要求。

2.5.3 C/C復(fù)合材料

C/C復(fù)合材料即C纖維增強(qiáng)C基體復(fù)合材料，完全由C元素組成。由于基體不含樹脂，不會(huì)出現(xiàn)吸濕膨脹的問題；同時(shí)，C元素的穩(wěn)定性使這種材料能發(fā)揮更強(qiáng)的抗腐蝕能力[21]。美國(guó)最早開展對(duì)C/C復(fù)合材料反射鏡的研發(fā)，其采用C/C復(fù)合材料表面的SiC涂層向SiO2轉(zhuǎn)變后對(duì)玻璃層的粘結(jié)，制備反射層[22]。也有學(xué)者以C/C復(fù)合材料為基底層，表面反射層以多種金屬層結(jié)構(gòu)來制備反射鏡，但這種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，易出現(xiàn)雙金屬層效應(yīng)導(dǎo)致涂層變形[23]。目前，我國(guó)還處于C/C新型材料反射鏡研究的空白階段。

3 總結(jié)

空間光學(xué)系統(tǒng)中，反射鏡的發(fā)展趨勢(shì)是大尺寸、輕量化、高精度，在材料選擇上，不同的工作環(huán)境對(duì)反射鏡材料的需求不同，沒有一種材料同時(shí)滿足所有需求，關(guān)鍵是如何選用與系統(tǒng)質(zhì)量要求相適應(yīng)的反射鏡材料。基于國(guó)外的發(fā)展情況，建議中國(guó)對(duì)低膨脹石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅和鈹金屬材料進(jìn)行系統(tǒng)研究，尤其在大口徑鏡坯的制造技術(shù)進(jìn)行深入研究，以攻克大口徑輕量化反射鏡的制造技術(shù)、光學(xué)加工技術(shù)和高精度檢測(cè)等技術(shù)。由于碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的性能及可設(shè)計(jì)性，尤其符合未來大口徑輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，因此應(yīng)加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究，避免錯(cuò)失追趕國(guó)際水平的機(jī)遇。