空間大口徑輕質反射鏡材料研究進展

（中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024）

0 引言

反射鏡作為空間光學系統(tǒng)中的關鍵部件,是大型太空望遠鏡、探測衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、高分辨率相機等系統(tǒng)的重要組成部分。隨著空間成像技術的發(fā)展，對空間光學系統(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量[1]，大口徑、長焦距是航空光電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[2]。因此，提出輕質反射鏡的設計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)在對地觀測衛(wèi)星中得到廣泛應用。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、高比熱和熱導率的性能，使其成為極具潛力的空間輕質反射鏡材料。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比Tab.1 Performance comparison of typical mirror materials

通過對以上反射鏡材料各項性能的分析可見，每種材料都具有獨特的優(yōu)點，但也存在一些缺點。碳化硅的熱性能和機械性能優(yōu)異，但光學性能較差，通常只能作為反射鏡片的基體材料，化學氣相沉積碳化硅（CVD-SiC）除具有碳化硅材料的優(yōu)點外，可以加工高精度光學表面，但這種材料難以制備復雜結構零件。鈹金屬在所有光學材料中比剛度最大且密度低，熱膨脹系數(shù)低，同時也和大多數(shù)光學設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，較低的彈性模量極大限制了其在光電系統(tǒng)的應用[5]。

2 反射鏡典型材料和新型復合材料的發(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。當前，新型復合材料在空間反射鏡領域發(fā)展很快，例如C/SiC、碳纖維增強樹脂基復合材料、C/C復合材料等。

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構，如圖1所示，輕量化的同時又很好彌補了材料力學性能的不足[3]。低膨脹石英玻璃材料制備成熟，光學加工和工程應用趨于完善，如NASA哈勃太空望遠鏡的主鏡坯（圖2）。我國多個對地觀測衛(wèi)星如GF-1、GF-4等都應用了低膨脹石英玻璃反射鏡。在國內(nèi)，3m直徑的超低膨脹玻璃反射鏡相關技術研究已相對成熟，對疊層構型組件進行創(chuàng)新與優(yōu)化，已達到工程應用要求[6]。中國建筑材料科學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，得出了化學成分摻雜量與膨脹系數(shù)的線性關系。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，超過12%出現(xiàn)藍灰色析晶層[7]。所生產(chǎn)的超低膨脹石英玻璃在膨脹系數(shù)及尺寸等關鍵指標上達到國際水平，成功填補國內(nèi)空白。

圖1 蜂窩結構低膨脹石英玻璃Fig.1 Low expansion quartz glass with honeycomb structure

圖2 哈勃太空望遠鏡主鏡坯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。析出固溶體的負熱膨脹特性，與微晶玻璃自身的正膨脹系數(shù)相結合，經(jīng)設計可使得微晶玻璃近乎達到零膨脹[8]。微晶玻璃比低膨脹石英玻璃更易加工。陸基望遠鏡大量使用了微晶玻璃，如坐落于中國天文臺興隆觀測站的LAMOST巡天望遠鏡，其由一塊反射校正鏡和一個直徑6.3m的球面主鏡組成，該主鏡就是由37個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行常規(guī)生產(chǎn)[9]。在國內(nèi)，微晶玻璃在建筑、電子、化工等領域已經(jīng)進行得到研究與應用，但在空間反射鏡方面，國內(nèi)只有兩家機構實現(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，突破了微晶玻璃的大量關鍵生產(chǎn)技術，實現(xiàn)600mm口徑微晶玻璃小批量生產(chǎn)，性能達到國際領先水平，打破國外壟斷，滿足了國內(nèi)軍工國防配套領域的急需[10]。

圖3 中國天文臺LAMOST巡天望遠鏡主鏡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，碳化硅的性能會有很大的差異，可分為普通燒結碳化硅、熱（等靜）壓燒結碳化硅（HP-SiC）、反應燒結碳化硅（RB-SiC）、化學氣相沉積碳化硅（CVD-SiC）等。采用化學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，同時具有很高的純度、優(yōu)良的熱導率、高比剛度及優(yōu)異的可拋光性能[11]。反應燒結碳化硅具有生產(chǎn)效率高、成本低、可以生產(chǎn)復雜且精度極高的零件等優(yōu)點。歐洲航天局空間項目赫謝爾遠紅外線望遠鏡應用了SiC反射鏡技術，如圖4，其口徑3.5m碳化硅主鏡是目前空間望遠鏡單體主鏡之最。國內(nèi)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(yè)大學以及國防科技大學等都進行著SiC反射鏡應用技術研究工作，其中長春光學精密機械與物理研究所已制備出符合工程應用需要的4m口徑碳化硅基底材料[12]。

圖4 赫謝爾望遠鏡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，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，可進行輕量化加工進一步減輕重量。鈹材料具有尺寸穩(wěn)定性高、熱性能好等優(yōu)點。鈹反射鏡的裝調可靠性較高，更適合用于有效載荷運動機構中的掃描鏡、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，鈹?shù)难趸顱eO比鈹金屬易脆，對拋光后性能產(chǎn)生影響，因此需要在其基體結合致密的鍍層以彌補直接拋光后性能的缺失，同時也要求鍍層材料與鈹金屬在熱膨脹系數(shù)與結合力相匹配[14]。鈹鋁合金作為光電系統(tǒng)的支撐結構，能滿足輕質量與高剛度的要求，其高熱導率和低膨脹系數(shù)有利于視軸的熱穩(wěn)定并能和鈹反射鏡進行很好配合。目前發(fā)達國家已成功將金屬鈹材料應用于大口徑反射鏡的研發(fā)，美國低溫空間望遠鏡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。在國內(nèi)，中國科學院上海技術物理研究所研制的掃描鈹反射鏡用于風云系列氣象衛(wèi)星。中國建筑材料科學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用在中巴地球資源1號04星上。

圖5 美國低溫空間望遠鏡JWST主鏡Fig.5 Primary mirror in JWST

2.5 新型復合材料

2.5.1 C/SiC復合材料

C/SiC復合材料與傳統(tǒng)SiC陶瓷材料相比，密度更低，且脆性得到明顯改善。德國最早開發(fā)了C/SiC材料用于輕型光學反射鏡的制作[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、日本、加拿大通過對C/SiC復合材料性能的不斷改善，用于開發(fā)大尺寸天文望遠鏡。國內(nèi)對C/SiC復合材料進行研究的機構很多，對C/SiC復合材料的設計和性能開發(fā)都具有一定的基礎，但將C/SiC復合材料應用于反射鏡材料領域還較少[18]。

2.5.2 碳纖維增強樹脂基復合材料

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反射鏡的研發(fā)上具有較大優(yōu)勢[19]。英國、法國以及美國在多個項目上成功開發(fā)出CFRP反射鏡[20]。從國內(nèi)看來，CFRP反射鏡還處于實驗階段，很多技術還不能滿足光學鏡面的要求。

2.5.3 C/C復合材料

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

3 總結

空間光學系統(tǒng)中，反射鏡的發(fā)展趨勢是大尺寸、輕量化、高精度，在材料選擇上，不同的工作環(huán)境對反射鏡材料的需求不同，沒有一種材料同時滿足所有需求，關鍵是如何選用與系統(tǒng)質量要求相適應的反射鏡材料?；趪獾陌l(fā)展情況，建議中國對低膨脹石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅和鈹金屬材料進行系統(tǒng)研究，尤其在大口徑鏡坯的制造技術進行深入研究，以攻克大口徑輕量化反射鏡的制造技術、光學加工技術和高精度檢測等技術。由于碳纖維復合材料優(yōu)異的性能及可設計性，尤其符合未來大口徑輕量化的發(fā)展趨勢，因此應加強該領域的研究，避免錯失追趕國際水平的機遇。