[发明专利]超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种超大尺寸空间反射镜坯体的制造方法。

背景技术：

现有的以宽波段适应性、高轻量化和高准确度接收为目标的未来空间光学系统需要超大尺寸的光学元件，为了获得足够的刚度，传统光学材料如光学玻璃等在制造大尺寸光学元件时会导致重量的急剧增加，并且成像质量急剧下降，以光学玻璃等为代表的传统光学材料已经不适用于空间光学发展的要求，因此需要产品替代传统光学材料。

发明内容：

本发明的目的是提供一种成本低、效率高的反应烧结和钎焊相结合的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体制造方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其组成包括：优化设计反射镜的外形及尺寸，其特征是：将超大尺寸的反射镜分割为小尺寸的毛坯图，通过计算机和数控加工设备制造模具、制备浆料，浇注，并用反应烧结法制造毛坯、对毛坯加工并采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起、修整。

所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，所述的分割为根据确定的反射镜的形状及尺寸，将反射镜尽量以对称的方式进行分割，分割为平面分割，每个部件含有相同的形状的组成部分。

所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，所述的制造模具过程中，使用优质的石膏粉与水以3∶2的比例混合均匀来铸造模具。

所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，所述的制备浆料并用反应烧结法制造毛坯是将碳化硅、碳粉、稳定剂、水，按比例进行配制：固体部分占总重量的2/3，碳粉占固体部分的5～10％，碳化硅粉占固体部分的90～95％，稳定剂占0.4～1.1％，其余部分为纯净水，其中，碳化硅粉由粒径分别为5～10μm和40～60μm的粉末按1∶1的比例混合，并将其混合后放置到专用的大型搅拌机中进行24小时的连续同方向的搅拌，并在搅拌过程中调整料浆的粘度；一组工作人员同时将浆料浇注到模具内，每人浇注速度在10mL/sec以内，脱模后形成素坯，然后对素坯进行烘干和修整；将相当于素坯重量的10～30％的硅粉均匀地堆放在素坯表面，然后将它们一起转入反应烧结炉内，按碳化硅反应烧结法成毛坯。

所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的对毛坯加工是对毛坯的底面、反射面及两侧需要钎焊的面进行机械加工，其中加工毛坯的侧面，不仅要去除在设计时的加厚部分，而且要将侧面的表面平面度低于0.1mm，另外还要对侧面进行清洗和脱脂处理，将钎料堆焊在焊接面中间的缝隙中，采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起，即将温度升高到900℃，保温30分钟后冷却。

一种碳化硅材料在空间反射镜坯体分割制造方面的应用。

这个技术方案有以下有益效果：

1.针对现有技术中存在的问题，碳化硅材料的选择无疑是所有候选光学材料中最具竞争力的。它的密度比铍、石英、单(多)晶硅的密度大，属于轻质材料；比刚度仅次于铍，而优于其它材料，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼；  碳化硅具有良好的热传导性，它的导热率与铝合金接近，当环境温度变化时，内部很容易达到温度平衡，不会引起很大的内应力；其线膨胀系数比铝的小10倍，当温度变化的时候，具有较好的尺寸稳定性，因此用它制造的光学系统能在宽温度范围内工作，环境适应能力强；低热膨胀系数、高热传导使其具有最小的热变形系数，因此在较大温差条件下，抗热震性极佳，在较大的温度范围内使用，即使大面积镜面也不易变形，并且寿命长，这一点对于太空条件下使用的材料尤其重要。碳化硅的低热膨胀、高强和尺寸稳定性使其成为各种高性能、特殊环境应用镜片的理想材料。

在制造大尺寸空间反射用碳化硅镜片过程中，反应烧结方法在常用的制造碳化硅镜片的三种方法中体现出了明显优势。首先反应烧结方法制造的碳化硅材料制造成本较低，而最重要的是反应烧结方法的尺寸设计和形状设计具有非常高的灵活性，除了可降低镜片重量获得轻量化而坚固的结构外，还能够通过焊接等方法获得超大的尺寸，这是其他两种常用的碳化硅制造方法所不具备的。

制备碳化硅的方法主要有三种：热(等静)压法、化学气相沉积法和反应烧结法。在这三种制备方法中，最适合制作形状复杂且成本低廉的是反应烧结法。由于随着反应烧结碳化硅反射镜面积的增大，其成品合格率会随之降低。当反射镜直径大于1m以后，其成品合格率约为10％左右。本发明将直径大于1m以上的反应烧结碳化硅反射镜的合格率提高到30％以上，使大尺寸反射镜的制备成本大大降低。故本发明无论在科学技术领域还是在生产领域内都具有很高的推广价值。