[发明专利]一种泡沫硅反射镜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种反射镜及其制备方法，特别是涉及一种泡沫硅反射镜及其制备方法。

背景技术

随着空间领域竞争的加剧，世界各强国都投入大量人力、物力来发展相关技术。空间飞行器的主要作用之一是收集信息，因此对空间光学系统的性能展开研究具有重要意义。空间望远镜通常是采用反射式结构设计，其中主反射镜是整个光学系统的核心部件。空间望远镜主反射镜设计的趋势是大面积、低比重，同时要求反射镜材料具有优异的机械性能和热物理性能。

公开号为1576902的中国发明专利了提供了一种高反射镜。该高反射镜在可见光区域具有高反射率，耐湿性和耐盐水性等的耐久性优异，并且入射角依存性小(光的入射角很难引起反射率的变动)。它是在基板上，以银膜、低折射率膜、高折射率膜的顺序进行层压而成的高反射镜，其特征在于，在银膜的基板相反的一侧形成粘附改善膜，低折射率和高折射率膜的消光系数均小于或等于0.01，粘附改善膜为氧化物膜且消光系数小于或等于0.1。

公开号为102119304A的中国发明专利公开了一种反射镜。该反射镜组件包括反射镜和面对面板，在反射镜和面对面板之间具有密封气体空间。反射镜可以是：包括玻璃基片、银涂层、及至少一个涂料层的反射镜；或者包括粘结到基片上的有机反射镜膜的反射镜。在玻璃反射镜的情况下，至少一个涂料层面对密封气体空间，而在包括有机反射镜膜的反射镜的情况下，反射镜膜面对密封气体空间。

虽然可供制造光学反射镜的候选材料很多，但是考虑到太空环境的严酷性，实际应用比较多的是金属铝、金属铍、金属镍、光学玻璃、硅和碳化硅等材料。为满足应用需求，空间反射镜向着大口径、长焦距、高光学性能的趋势发展，Si和SiC材料凭借其在物理特性、机械性能、热性能等方面的综合优势，已经替代玻璃和金属成为第三代空间反射镜坯体材料的主要代表。

发明内容

本发明主要针对空间光学系统，提供一种泡沫硅反射镜及其制备方法。Si的密度为2.33，热导率为130，弹性模量达到155GPa，室温至1000℃的热膨胀系数仅为3.1，而且比SiC更易加工，是一种适合于制作反射镜的优异材料。

一种泡沫硅反射镜，其特征在于包括泡沫硅胚体和附着在胚体表面的致密Si涂层。所述的泡沫硅胚体是一种以碳泡沫为基底，表面附着有Si薄膜的开孔泡沫，其中，Si薄膜的厚度为50nm～2μm。泡沫内部呈现出三维网状结构，由大小不一的不规则孔洞交错连接而成，具有大的比表面积，可填充固、液、气态的多种物质。在胚体表面附着有致密的Si涂层，涂层厚度为0.5～3mm。

上述反射镜的镜面可以是平面的，也可以是曲面的。

一种泡沫硅反射镜的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

(1)将聚氨酯泡沫热解，制作碳泡沫；

(2)将制得的碳泡沫加工一面或多面成需要的镜面结构；

(3)制备Si薄膜：将加工过的碳泡沫放入CVI炉中，通入SiCl₄和H₂，控制温度和时间，在开孔泡沫内壁附着一定厚度的Si薄膜，最终得到泡沫硅；

(4)表面Si涂层的制备：从CVI炉中取出泡沫硅，放入硅化炉中，通入H₂和SiCl₄，SiCl₄在1100～1300℃下高温分解出Si，分解出的Si晶粒沉积在泡沫硅表面，沉积时间为4～20小时，最终在泡沫硅表面附着一层致密的Si涂层；

(5)将表面附着有致密涂层的泡沫硅从硅化炉中取出，用金刚石精加工成所需要的镜面，最终得到一种泡沫硅发射镜。

根据上述的制备方法，碳泡沫是通过聚氨酯泡沫加热碳化得到，具体的工艺过程分两步进行：先在空气中、200～255℃下将聚氨酯泡沫加热；接着在惰性气氛中、700～900℃下碳化。

本发明的主要优点是：①泡沫硅结构提供高的比强度、热导率和很轻的质量，在维持一个相当低面密度的同时，能够使反射镜的光学性能超过当前的玻璃、陶瓷和金属的发射镜；②表面Si涂层完全致密，各向同性，容易精密加工成光滑的镜面，提供高的反射率；③该反射镜结构简单，制备方便，不需要复杂的定位系统，降低了成本费用；④多孔的泡沫结构能够吸收能量、缓冲变形，使得该反射镜具有优异的热稳定性和最小的变形失真。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1