[发明专利]一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及光学反射镜结构制造技术领域，具体涉及一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜及其制备方法和应用。本发明还提出一种含有连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜镜面及制作方法，采用连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜作为反射镜主体材料，通过结构设计和一体化成型技术完成反射镜镜面和支撑结构的制备，不仅能够大幅提升反射镜的比刚度、强度和热稳定性；同时通过反射面的表面处理，大幅减少了陶瓷基复合材料反射镜表面微观缺陷的问题，提升镜面的光学反射性能；此外，该技术在大尺寸反射镜的制备方面具有独特优势。

技术领域

本发明属于光学反射镜结构制造技术领域，具体涉及一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜及其制备方法和应用。

背景技术

21世纪以来，由于对地观测、深空探测等领域的迅猛发展，对光电成像系统的观测能力提出了越来越高的要求，光学反射镜作为其中重要的组件，得到了科研工作者的广泛关注。对于高性能光学反射镜材料的选择与制备，一般需关注以下主要性能：

(1)选择低密度材料；一方面能够满足空间遥感相机对载荷提出的低重量要求，可以减少卫星发射成本，另一方面可以减轻地基望远镜由于自重引起的镜面变形；

(2)具备高比刚度及优异的综合力学性能；高比刚度能够避免反射镜自重、装配应力及卫星发射段的冲击振动等对镜面造成的影响，同时高的断裂韧性也有利于实现光机功能一体化，减少由于支撑部件与反射镜材料性能不匹配造成的应力积聚；

(3)具有良好的热稳定性；空间相机及地基望远镜的服役温度环境恶劣，材料的导热性能好、热膨胀系数低，能减少反射镜热畸变，保证光电成像系统的成像质量；

(4)耐空间粒子辐照；可延长空间反射镜材料的使用寿命；

目前，反射镜材料主要包括玻璃材料、低膨胀金属材料、陶瓷材料以及复合材料等。玻璃材料是第一代反射镜材料，常用的有ULE和ZEROUR等；玻璃材料的热膨胀系数很低，且光学加工性能优良，但玻璃材料的热导率低，比刚度较差；第二代反射镜材料是低膨胀金属材料，主要包括铝和铍等，金属材料的导热性能优良，但热膨胀系数相对较大，其面形精度容易受温度影响；碳化硅陶瓷属于第三代反射镜材料，该材料化学稳定性好、耐空间粒子辐照性能优异、热膨胀系数低、弹性模量高，且具有较好的导热性能，然而陶瓷材料较高的裂纹敏感性是限制其发展的重要瓶颈，同时碳化硅材料的莫氏硬度很高，导致材料加工难度大、成本高。

为进一步提高反射镜材料的轻量化程度，解决陶瓷材料脆性大的问题，纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜应运而生。该材料具有高强度、高模量、低裂纹敏感性、较低的热膨胀系数、耐化学腐蚀及空间辐照、热导率高等优点，且密度更低，相比其他材料更能满足轻量化及高可靠性需求。

德国ECM公司商用化的材料，采用短切碳纤维增强，通过浸渍酚醛树脂、碳化、石墨化、渗硅反应烧结等工序得到碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯，后续通过表面研磨抛光工艺获得满足要求的镜面；由于没有连续纤维增强，因此这种方法制备的材料强度较低；且由于需要进行渗硅反应烧结等工序，反射镜在工艺过程中不可避免的会发生体积收缩，增加了后续加工量和抛光难度。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明提供了一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜及其制备方法和应用，本发明为了克服烧结碳化硅和短切纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜强度低、纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜面存在大量微观缺陷的问题，本发明提出一种含有连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜及制作方法，采用连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜作为反射镜主体材料，通过结构设计和一体化成型技术完成反射镜镜面和支撑结构的制备，不仅能够大幅提升反射镜的比刚度、强度和热稳定性；同时通过反射面的表面处理，大幅减少了陶瓷基复合材料反射镜表面微观缺陷的问题，提升镜面的光学反射性能；此外，该技术在大尺寸反射镜的制备方面具有独特优势。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：