（材料科学与工程专业论文）sisic光学涂层的制备与性能研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 本文以c s i c 基复合材料反射镜的光学涂层为研究背景，利用浆料涂刷法制 备了c s i c 基反射镜的光学涂层，研究了s i s i c 光学涂层的制备工艺，对涂层浆 料配方进行了计算，考察了浆料配方对渗硅反应烧结后s i s i c 光学涂层的成分、 热学、力学及光学加工性能以及微观结构的影响，并对渗硅反应烧结后涂层微观 显微结构的形成过程进行了讨论。 ( 1 ) 对s i s i c 涂层原料配方进行了理论分析设计，对不同原料配方反应烧结 后涂层中各相的含量进行了物相定量分析，总结了原料中c 含量与烧结后涂层中 s i 含量的关系，并对涂层密度进行了理论计算与实际验证。 ( 2 ) 对涂层断口的形貌进行了研究，简要讨论了涂层显微结构的形成过程。 本实验体系中液相硅与固碳的反应主要是溶解再沉淀过程。 ( 3 ) 考察了不同配方原料制备的s i s i c 涂层材料的力学和热学性能。通过配 方调整使s i s i c 涂层材料热膨胀系数与c s i c 反射镜基体热膨胀系数的差值控制 在0 5 x 1 0 击k 以内。 ( 4 ) 考察了不同配方原料制备的s i s i c 涂层材料的光学抛光性能，新配方可 大大降低光学抛光时间，表面粗糙度达到3 r i m 以下的光学抛光时间从2 周缩短至 2 天。 ( 5 ) 当原料中c 与s i c 的体积比为7 ：3 时，反应烧结后s i s i c 涂层的弹性模 量为1 4 3 8 m p a ，涂层与基体的剪切强度为1 9 4 3 m p a ，平均线热膨胀系数与基体最 为接近，差值小于0 s x l 0 由k 。 主题词：c s i cs i s i c 浆料涂刷法渗硅反应烧结光学抛光 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sf o c u s e do nc s i cr e f l e c t i n gm i r r o r s l u r r yb r u s hm e t h o di su s e dt o p r e p a r et h eo p t i c a lc o a t i n go fc s i cr e f l e c t i n gm i r r o r t h ep r e p a r a t i o no f s i s i co p t i c a l c o a t i n gw a ss t u d i e d a f t e rc a l c u l a t i o no ft h er e c i p eo fs l u r r y ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h er e c i p eo fs l u r r ya n dt h ec o n s t i t u e n to ft h es i s i co p t i c a lc o a t i n ga f t e ri h r i g i z i n g r e a c t i v e s i n t e r i n g w a ss t u d i e d ，a l o n g 晰t l lt h e t h e r m o t i c s ，m e c h a n i c a l ，o p t i c a l p e r f o r m a n c ea n dt h em i c r o s t r u c t u r e t h ee s t a b l i s h m e n to fm i c r o s t r u c t u r eo fc o a t i n g a f t e ri h r i g i z i n gr e a c t i v es i n t e r i n gw a sa l s od i s c u s s e d ( 1 ) t h er e c i p eo fs i s i cc o a t i n gw a sm a t h e m a t i c a l l ya n a l y s i s t h ep h a s e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fc o a t i n ga f t e rr e a c t i v es i n t e r i n gh a sb e e nd o n e t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec o n t e n to fci nt h er e c i p ea n dt h ec o n t e n to fs ii nt h ec o a t i n ga f t e rr e a c t i v e s i n t e r i n gw a sg e n e r a l i z e d t h et h e o r e t i c a lv a l u eo ft h ed e n s i t yo ft h ec o a t i n gw a sg i v e n a n dc o m p a r e d 、 ，i mt h ea c t u a lv a l u e ( 2 ) r e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h ep a t t e r no ff r a c t u r eo fs i s i cc o a t i n g t h e e s t a b l i s h m e n to fm i c r o s t r u c t u r eo fc o a t i n gw a ss t u d i e da n di ti st h o u g h tt h a ts i cw a s f o r m e db yd i s s o l u t i o n r e d e p o s i t i o np r o c e s si ni h r i g i z i n gr e a c t i v es i n t e r i n g ( 3 ) t h em e c h a n i c a la n dt h e r m o t i c sp e r f o r m a n c eo fs i s i cc o a t i n g 埘md i f f e r e n t r e c i p ew a ss t u d i e d a f t e rm o d i f i c a t i o no ft h er e c i p e ，t h ec t eo fs i s i cc o a t i n ga n d c s i cr e f l e c t i n gm i r r o rc a nb em a t c h e d ( 4 ) t h eo p t i c a lp o l i s h i n gp e r f o r m a n c eo fs i s i cc o a t i n g 谢t l ld i f f e r e n tr e c i p ew a s s t u d i e d t h et i m es p e n ti np o l i s h i n gt h en e ws i s i cc o a t i n gc a nb er e d u c e dd r a m a t i c a l l y w h e nt h er o u g h n e s so fs u r f a c ei sl e s st h a n3n nr a , t h ep o l i s h i n gt i m ei sr e d u c e df r o m 2w e e k st o2d a y s ( 5 ) w h e nc ：s i c = 7 ：3i nt h er e c i p e ，t h em o d u l u so fs i s i cc o a t i n gw a s1 4 3 8m p a , a n dt h es h e a rs t r e n g t hw a s19 4 3m p a a n da l s ot h ed - v a l u eo fa v e r a g ec o e f f i c i e n to f l i n e a re x p a n s i o nb e t w e e nt h ec o a t i n ga n dm a t r i xw a s0 5 10 勺k w h i c hi st h em i n i m u m i nt h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：c s i c s i s i c s l u r r yb r u s hm e t h o di h r i g i z i n gr e a c t i v e - s i n t e r i n go p t i c a lp o l i s h i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 几种典型反射镜材料( 室温) 性能的对比2 表1 2 不同种类的s i c 材料性能4 表1 3 不同s i c 材料制备工艺特点。5 表2 1 实验原料及试剂1 5 表2 2 实验使用的主要仪器1 5 表3 1 各涂层中c 及s i c 的体积比2 3 表3 2 各涂层的密度及孔隙率2 3 表3 3 涂层中各相的质量分数。2 5 表3 4 涂层中各物相的体积分数2 6 表3 5 简化条件下涂层中s i 及s i c 的体积分数2 6 表3 6 涂层原料中碳化硅颗粒粒径2 7 表3 7 各涂层密度的理论计算值2 9 表4 1 三点弯曲法测定涂层的弯曲强度及弹性模量3 5 表4 2 涂层与基体问的剪切强度3 7 表4 3 涂层与基体在不同温度下的平均线膨胀系数( 硝为c s i c 基体) 4 2 表4 4 表面粗糙度测试结果4 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 不同反射镜材料的比刚度和热稳定性3 图1 2 液相反应工艺制备c s i c 反射镜坯体流程图8 图1 3 低温红外反射镜( 左) 和轻型扫描镜( 右) 9 图1 4s l p m 生坯及其渗硅后的照片9 图1 5g r e g o r 第一镜生坯( 左) 和g r e g o r 第三镜( 右) 1 0 图1 6e c m 所使用的反应炉1 2 图1 7 反射镜涂层与基体结合的断口照片1 3 图1 8e c m 为s l p m 制备的扫描镜1 3 图2 1s i s i c 光学涂层制备工艺流程图。l6 图2 3 三点弯曲法测弯曲强度示意图l8 图2 4 载荷位移变化曲线1 9 图2 5 剪切样品示意图2 0 图3 1 各涂层密度的变化趋势2 4 图3 2x 射线物相定性分析结果2 4 图3 3c s i c 材料x 射线物相定性分析结果2 4 图3 4 各涂层样品中s i 的含量2 5 图3 5 涂层原料中的c 含量与烧结后s i 、s i c 含量变化趋势对比图2 7 图3 6 绿色碳化硅颗粒原料粒径的标定2 8 图3 7 涂层密度的测量值与计算值对比3 0 图3 8 涂层断口的微观形貌3 l 图3 9 腐蚀过的涂层断口局部形貌3 1 图3 1 0s i c 相图3 3 图4 1 涂层原料c 含量与涂层弹性模量变化趋势对比图3 5 图4 2 涂层原料c 含量与涂层弯曲强度变化趋势对比图3 6 图4 3 剪切强度测试样品3 7 图4 4 拉伸法测试剪切强度时的位移载荷曲线( 6 撑样品) 3 8 图4 5 涂层与基体结合截面断口形貌3 8 图4 6 涂层与基体截面断口的局部形貌。3 9 图4 7 腐蚀过的涂层与基体结合部的断口形貌4 0 图4 8 致密s i c 层的局部放大图4 0 图4 9 涂层与基体截面的金相显微组织4 1 图4 1 0 涂层与基体热膨胀曲线示意图。4 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 l 样品表面粗糙度测试结果4 5 图4 1 2 样品抛光后表面金相显微组织4 6 图4 1 33 撑涂层样品放大1 0 5 0 倍的金相照片4 7 图4 1 4 样品抛光后的实际效果图4 8 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：墨i z 墨i g 左堂途屋煎剑叠复性能煎究 学位论文作者签名：盔丕丕童：日期：力叨7 年f1 月弓。日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：墨i z i 光堂淦屋的剑查生性能珏究 学位论文作者签名：叠歪曼： 日期：力弦7 年，1 月- y o e j 作者指导教师签名：j 苇型阵 日期： 加7 年，7 月如日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 空间轻质反射镜研究背景 随着科学技术的发展，人们的认知和开发领域已经拓展到地球外层空间，这 推动和促进了遥感卫星和遥感技术的高速发展，更对遥感器光学系统的分辨率提 出了越来越高的要求。空间遥感器光学系统要求在宽的电磁波段范围内有很好的 成像质量，其电磁波段范围从紫外、可见光、红外甚至延伸到x 射线、y 射线。 为满足在如此宽广的电磁波范围工作，空间光学系统多采用反射式设计【1 2 1 。 反射式光学系统中的关键部件是反射镜，光学系统的主要性能指标是极限分 辨率。根据瑞利判据计算其公式如下： p ：1 2 2 盟 d 式中秒为反射镜的极限分辨率，厂为反射镜焦距，旯为反射波长，d 为反射镜 口径。由1 1 式易知，极限分辨率与反射镜口径成反比，反射镜的口径越大则极限 分辨率数值越小，成像质量越好【3 4 】。因此，大口径反射镜是目前反射镜研究和制 作的重要方向。但是随着反射镜口径的增大，其自身质量w 和水平自重变形量6 都将迅速增加。w 和6 表达如下： w = 2 9 0 d 3( 1 2 ) 萨c 。娶“一y 2 1 ( 1 3 ) 4 e h 、 7 式1 2 和1 3 中矽为反射镜质量，d 为反射镜v i 径，万为水平自重变形量，e 为支承条件系数，y 为材料密度，h 为镜体厚度，y 为泊松比，五为弹性模量。可 见，反射镜自身质量与其口径数值的3 次方成正比，水平自重变形量与其口径数 值4 次方成正比。同时，镜体自重的增加，会使其自身在外界环境温度发生变化 时温度梯度增大，这将导致镜体产生热变形o 。热形变。表达式为： t r = ( d 2 口r ) 易 ( 1 4 ) 其中t 2 为反射镜的热膨胀系数，丁为镜体自身温度梯度【描】。 因此，在研究发展大口径、高分辨率反射镜的过程中，必须对反射镜进行轻 量化处理。众所周知，空间发射成本费用昂贵( 约2 3 万美元k g ) ，轻量化的反 射镜能大大降低遥感器光学系统的质量。如果光学系统减轻1 0 0 k g 的质量，有效 载荷就能够减轻2 5 0 3 0 0 k g ，将减少上千万美元的发射费用；有效载荷的减小还能 能提高卫星的飞行性能、力学稳定性和遥感器光学系统的稳定性阻1 0 】。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 空间轻质反射镜坯体材料的研究进展 反射镜材料应该满足易加工、面形稳定，制作工艺相对简单、成本较低等基 本要求，因此要求反射镜材料应具备以下特性： ( 1 ) 高弹性模量、低密度，即高比刚度，具有高尺寸稳定性； ( 2 ) 低热膨胀系数、高热导率，抗热震性能强； ( 3 ) 化学、摩擦和环境耐受性能强； ( 4 ) 无热弛豫和机械弛豫； ( 5 ) 热性能和机械性能的各向同性； ( 6 ) 易机械加工，可大型化、轻量化； ( 7 ) 可以涂覆光学涂层或直接进行光学加1 i 9 ，1 0 1 。 1 2 1 反射镜材料的发展现状 到目前为止，反射镜材料经历了四代发展：第一代以微晶玻璃为代表【1 1 1 3 】，第 二代以金属铍为代表【1 4 , 1 5 】，第三代为s i c 陶瓷材料，第四代为s i c 基复合材料【1 o 】。 表1 1 【2 1 ，2 2 1 列举了几种典型反射镜材料的基本性能，图1 1 2 1 2 3 】贝0 是对表1 1 所列数 据的一个补充说明。 表1 1 几种典型反射镜材料( 室温) 性能的对比【2 1 2 2 1 丛璺堕盟型!曼曼( 坐q j型f 型! q z 2些量q 坚堡坠! y ! i ! i 塑翌y q 璺堑g 墨匣 d e n s i t y ( g c m 3 ) 1 8 52 72 2 02 22 33 212 0 t h e r m a l - c o n d u c t i v i t y ( w m k 1 ) 2 1 61 5 01 31 41 5 03 0 01 2 5 s p e c i f i ch e a t ( j k g 1 k “) 1 8 2 0 9 1 9 7 0 81 2 1 0 9 2 07 1 0 7 0 0 e l a s t i cm o d u l u s ( g p a )3 0 37 06 77 0i1 04 9 02 7 0 c t e r t ( k “x l o 西) 11 4 2 40 0 3 0 53 84 52 0 s t e a d y - s t a t et h e r m a ld i s t o r t i o n 5 7 4 14 3 7 52 9 0 0 31 9 64 3 4 23 2 6 6 61 6 8 7 5 d y n a m i c s t a t et h e r m a ld i s t o r t i o n 3 61 1 40 130 0 817 92 0 72 4 1 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 04 08 01 2 01 6 02 0 0 s p e c i f i cs t 螂n e s s ( k h - ，) 图1 1 不同反射镜材料的比刚度和热稳定性【2 昭列 微晶玻璃是传统的反射镜材料，它含有负膨胀系数的晶相和正膨胀系数的非 晶相，所以可通过一定的化学处理和热处理将其膨胀系数调节到应用所需的范围。 虽然微晶玻璃具有较低热膨胀系数和较好的光学加工性能，但是比刚度和导热系 数较低，容易产生应力变形，影响图像质量。微晶玻璃强度较低，要使玻璃镜反 射镜成像质量稳定，直径和厚度需要满足一定的比例，通常是( 6 - - 8 ) ：1 ，因此微晶 玻璃反射镜坯体难以轻量化，另外热处理工艺周期长、成本高也使其应用受限制。 金属铍及其合金有较高的弹性模量和优异的力学性能，比玻璃和石英材料更 易于加工成中空结构，且能够强制冷却。到目前为止国内外仍有采用其制备轻量 化的大型卫星反射镜。但铍热膨胀系数较大，六方结构具有各向异性，需要强制 水冷系统，并且有剧毒，机械加工性能差，价格昂贵，使其制备成本太高。 s i c 陶瓷材料密度较小( 大于铍) 硬度大、无毒，尤其是抗热震性极佳；致 密的s i c 陶瓷光散射小、在宽电磁波范围内反射率高；此外，s i c 陶瓷抗氧原子和 电子束冲刷及辐射能力强。s i c 陶瓷材料综合性能居于各种材料前列，是目前比较 理想的反射镜材料。 s i c 复合材料除具s i c 陶瓷材料本身优异性能外，还可以在满足反射镜对材料 性能要求的前提下改变基体与增强体的配比来减小材料密度，或者通过结构设计 减小其相对密度，实现反射镜轻量化。因此，s i c 复合材料( 如c s i c 材料) 已成 为当前世界各国反射镜轻量化研究的重点，越来越受到各国研究者的重视。 1 2 2 不同种类碳化硅材料的性能 碳化硅作为光学材料应用的研究约开始于2 0 世纪7 0 年代，可作为反射镜镜 体材料，也可制备反射镜支撑结构，并且可以进行轻量化结构设计。但是，不同 碳化硅材料由于制备工艺和原料不同，在性能和制备加工成本上存在一定的差异。 表1 2 【3 ，凇习给出了六种不同工艺制备的s i c 材料性能。 第3 页 印 们 扣 。一i-口。-x)参ti_啊荔名e。舌 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表1 2 不同种类的s i c 材料脾i ：f - 厶匕f j i e 3 , 2 4 - 2 5 1 ， e l a s t i c s p e c i f i c t h e r m a lc t e t h e r m a l p o l i s h - m a t e r i a l sd e i l s i t ，ym o d u l u ss t i f f n e s s c o n d u c t i v i t y ( 10 6s t a b i l i t v a b i l i t y ( g c m 3 ( g p a ) ( k n - m g ) ( w m k ) k )( 1 0 6 w m ) ( a ) s i n t e r e d s i c3 14 0 8 1 3 21 5 1 2 0 4 53 2 7_ 1 0 0 h p s i c 3 24 5 11 4 15 0 - - 1 2 04 61 l 2 6 5 0 r b s c3 1 3 9 1 1 2 61 2 0 - 1 7 04 3 2 8 4 0 | 2 0 c v cs i c3 24 6 01 4 42 2 04 45 0 5 l o c v d s i c3 2 14 9 01 5 33 0 04 56 7g c s i c1 7 - 2 72 7 010 0 15 9l2 52 0- - 6 3 ：互o ( 1 ) 反应烧结碳化硅( i ms i c ) 反应烧结碳化硅 2 6 - - 3 1 】是将碳化硅晶粒、炭粉和一些添加剂用水制成浆料进行 模压成型，干燥后形成多孔结构的素坯，然后在具有活性的液硅环境中进行反应 烧结形成致密的碳化硅坯体。由于碳转化为碳化硅的体积膨胀和液态硅的浸渗填 充了素坯中的孔隙，反应烧结碳化硅致密度几乎达到1 0 0 ，体积收缩量不超过 0 5 。该方法工艺周期短，可实现复杂产品的近净成型，但产品中含有原位a s i c 、 c 与s i 反应生成的1 3 - s i c 和s i 三相物质，光学加工性较差。原料各物质百分比和 素坯孔隙率的控制以及烧结机理的深入研究对该工艺的发展有重要作用和影响。 ( 2 ) 普通烧结碳化硅( ss i c ) 普通烧结碳化 t 2 6 2 7 _ 3 2 1 用碳和硼等作为烧结助剂，在2 5 0 0 c 将亚微米级的碳 化硅粉末烧结成型，成分基本为6 hs i c ，含有少量的c 和b 4 c 。由于纯碳化硅粉 很难烧结成型，加入烧结助剂能产生一定液相成分，提高界面扩散能，在降低烧 结温度的同时提高产品致密度。普通烧结碳化硅的致密度约为6 hs i c 的9 8 ，存 在一定空隙，不能直接进行光学加工，而且烧结后体积收缩高达2 0 。 ( 3 ) 热( 等静) 压烧结碳化硅( h ps i c ) 热( 等静) 压烧结碳化硅【3 2 6 - - 2 7 3 3 _ 3 4 是将亚微米级碳化硅和烧结助剂混合后在 高温高压条件下进行烧结成型。该方法制备的碳化硅致密度、光学加工性能和机 械性能都比普通烧结碳化硅高。但热压方法制备的碳化硅形状单一，体积收缩达 2 0 ，各向异性，变形系数偏大。 ( 4 ) 化学气相沉积碳化硅( c v ds i c ) 化学气相沉积碳化硅【2 睨7 3 5 - 3 7 1 是用氢气作载体将含c 和s i 的有机物( 如 c h 3 s i c l 3 等) 蒸气，输送至反应炉体内，通过一系列化学反应，在一定基体上沉 积生成碳化硅。c v ds i c 纯度可达s i c 理论密度的9 9 9 9 9 5 ；c v ds i c 硬度非常 高，只能用金刚石进行光学加工，可加工出0 3 n mr m s 的光洁表面，具有低散射 率和突出的热稳定性和超低温稳定性。但是，化学气相沉积工艺的沉积速率缓慢 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 约l “m h r ) ，生产成本太高，不适宜制备反射镜的镜体材料。c v ds i c 通常作 为反射镜光学涂层的备选材料。 ( 5 ) 化学气相复合碳化硅( c v cs i c ) 化学气相复合( c v c ) 工艺 2 6 - 2 7 ，3 8 _ 3 9 1 与化学气相沉积( c v d ) 工艺类似，通 常以c h 3 s i c l 3 ( m t s ) 为先驱体，通过气相化学反应生成s i c 。不同之处在于c v c 工艺在氢气中加入了高纯度s i c 粉或晶须( 纤维) ，s i c 粉或晶须( 纤维) 作为第 二相与气相分解生成的s i c 同时沉积在坯体表面，形成致密的s i c s i c 涂层。第二 相的加入，大大加快了s i c 的生长速度，即就大大缩短了s i c 镜面的制备周期、 降低了生产成本；在c v c 工艺中，气相分解生成的s i c 以s i c 粉或晶须( 纤维) 为晶种，在其周围生成等轴s i c 晶，形成的涂层各向同性，消除了涂层内部的热 应力，在光学加工中能有效避免裂纹产生。但化学气相复合碳化硅的生产成本仍 比较高，后续加工周期较长。 ( 6 ) c s i c 复合材料 c s i c 复合材料通常有三种制备方法：先驱体浸渍裂解法( p i p ) 【4 0 ，4 l 】、化学 气相渗透法( c v l ) 4 2 , 4 3 、液气相渗硅反应法m 4 5 1 。其中液汽相渗硅反应法制备 的c s i c 复合材料综合性能优于前两者。液相渗硅反应法是无规短切碳纤维增强 c c 材料加工成所需尺寸和形状，然后置于高温真空炉中，在1 4 1 0 - - - 1 6 0 0 ( 2 温度范 围进行液相s i 浸渍反应后得到c s i c 复合材料。c c 材料可加工性强，加工周期 短，成本低，由此制备的c s i c 复合材料可实现近净成型，而且具有优异的热学 性能和力学性能。气相渗硅反应法与液相渗硅反应法类似，只是反应后坯体表面 附着的s i 量更少，后续机械加工更容易。 表1 3 不同s i c 材料制备工艺特点【2 5 i 望曼! 里堕巳! i q 望垦曼翌堂 s i n t e r e d d r ys i cp o w d e ri sm i x e dw i t h 。h i i g hd e n s i t ya n d9 0 0 dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s s i c s i n t e r i n ga d d i t i v e s ，c o l dp r e s s e d l o wp u r i t yd u et oc h e m i c a la d d i t i v e s m a c h i n e da n df i r e d 。s i g n i f i c a n tp r o c e s s i n ga f t e rf m n gi sr e q u i r e d h ps i c d r ys i cp o w d e ri sm i x e dw i t l lh i g hd e n s i t ya n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s s i n t e r i n ga d d i t i v e sa n dp r e s s e da th i 曲。s i g n i f i c a n tp r o c e s s i n ga f t e rf u - i n gi sr e q u i r e d t e m p e r a t u r e s s h a p ea n ds i z el i m i t s r bs i c d r ys i cp o w d e ri sm i x e dw i t hc a r b o n ,h i 【g hd e n s i t ya n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s m a c , n e da n di n f i l t r a t e db ym o l t e nn e a rn e ts h a p e s i l i c o n c v c t h e r m a ld e c o m p o s i t i o no fm t st oe x c e l l e n tm e c h a n i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e s s i c p r o d u c es i c ，a d d e dw i t hh i g hp u r i t y 。s i z ea n ds h a p el i m i t s s i cp o w d e rt om a k eas i c s i c e x t r e m e l yc o s t l ym a c h i n i n gp r o c e s s c o m p o s i t e s 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 c v d o r g a n o m e t a l l i cv a p o ri sd e c o m p o s e d s i ca tm o d e r a t et e m p e r a t u r e sa n dl o w p r e s s u r et od e p o s i ts i co ne i t h e r g r a p h i t eo rs i cs u b s t r a t e c s i c c cf e l ti n f i l t r a t e db yl i q u i do r g a s e o u ss i l i c o na tm o d e r a t e t e m p e r a t u r e sa n dl o wp r e s s u r ei na c o m m o nf u m i c e e x c e l l e n tm e c h a n i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e s s i z ea n ds h a p el i m i t s e x p e n s i v ed u et ol e n g t ho f d e p o s i t i o np r o c e s s e x t r e m e l yc o s t l ym a c h i n i n gp r o c e s s l o wd e n s i t y ，g o o dm e c h a n i c a la n dt h e r m a l p r o p e r t i e s f a s ta n dl o w - c o s tm a c h i n i n g n e a rn e ts h a p ea n du l t r a - l i g h t w e i g h tc a p a b i l i t y h o r tm a n u t a c t u n n zt i m es 表1 3 对上述六种s i c 及其复合材料的制备工艺进行了比较。从制备周期、生 产成本和制备复杂结构制品的能力来看，液气相渗硅反应法具有最大优势。结合 s i c 及其复合材料的性能及其所采用的制备工艺，不难看出，单一s i c 及其复合材 料很难同时满足高分辨率遥感系统对反射镜轻量化结构的要求。因此，s i c 反射镜 通常采用坯体+ 光学镜面的双层结构形式。坯体的作用是支撑和定位镜面，使镜面 具有稳定的面形精度，主要考虑材料的力学性能、热学性能、与镜面涂层材料的 热匹配性能以及轻量化结构；镜面的作用是保证某一波段电磁波的反射，常以镀 膜或涂层的形式出现，主要考虑材料的光学性能，同时还要兼顾与坯体热性能的 匹配性能。双层结构的设计，使反射镜制备在材料和工艺的选择具有更大的自由 度，从而为提高相机的综合性能指标、缩短研制周期、降低成本提供了更为广泛 的实现途径【2 l 2 引。 1 3c s i c 复合材料反射镜的制备及其应用 1 3 1c s i c 复合材料的性能 以其优异的力学和热学性能，s i c 基复合材料反射镜已成为反射镜基体最有应 用前景的备选材料。s i c 基复合材料一般包括c s i c 复合材料和s i c s i c 复合材料 两种。与s i c s i c 复合材料相比，c s i c 复合材料具有更低的热膨胀系数和更高的 导热系数，目前已成为s i c 基复合材料反射镜发展的重要方向。 c s i c 复合材料反射镜的主要性能和优点包括【制5 】：( 1 ) 宽的使用温度段， 在3 k 到1 5 7 3 k 温度范围都能保持良好的机械性能；( 2 ) 低密度，并且密度在1 7 2 7g c m 3 范围内可调；( 3 ) 高模量( 2 3 8g p a ) ，高强度( 2 1 0 m p a ) ；( 4 ) 低热 膨胀系数，1 5 0 k 时几乎为0 ；( 5 ) 高热导率( 1 2 5w m k ) ；( 6 ) 热膨胀系 数、热导率及力学性能的各向同性；( 7 ) 耐化学腐蚀、耐磨、抗冲蚀；( 8 ) 材 料致密，几乎无孔隙；( 9 ) 可加工性强，加工成本低；( 1 0 ) 制备周期短； ( 1 1 ) 结构设计灵活，可采用连接技术制备大尺寸反射镜；( 1 2 ) 可制成夹芯结构，提 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 高反射镜的结构刚度。 与s i c 单相陶瓷反射镜相比，c s i c 复合材料反射镜具有如下优点：密度更低， 组分可设计，性能可调节；轻量化加工设计更易实现；制备周期短，工艺相对简 单。正是基于这些优点，c s i c 复合材料反射镜的研究成为近十年来s i c 基反射镜 研究的热点和重点。 1 3 2c s i c 复合材料及其反射镜的制备工艺 常用制备c s i c 复合材料的方法有四种：先驱体浸渍裂解法( p i p ) 、化学气 相渗透法( c v i ) 、液相反应法和气相反应法。各种工艺及特点介绍如下： ( 1 ) 先驱体浸渍裂解法 先驱体浸渍裂解法( p i p ) 是近年来发展起来的一种纤维增强陶瓷基复合材料 制备工艺，它是利用有机先驱体在高温下裂解而转化为无机陶瓷基体的方法。p i p 工艺的优点包括：可制备形状复杂反射镜坯体；裂解温度低，对纤维造成的热损 伤和机械损伤比较小；工艺过程简单，对设备要求不高；c s i c 复合材料密度可调。 p i p 工艺的缺点则包括：制备周期长，很难制备出完全致密的材料，转化过程中材 料收缩产生的内应力使材料性能下降：制备的s i c 基体的弹性模量、热导率等性 能低。 ( 2 ) 化学气相渗透法 c v i 工艺是通过含s i 先驱体向预制件内部扩散，并在孔隙内表面分解、发生 原位沉积形成s i c 基体。c v i 工艺的优点包括：可实现近净成型，特别适用于薄 壁和形状不规则构件；采用低温、低压工艺条件，减小了对c 纤维的损伤，坯体 与c v ds i c 涂层热匹配性能较好。c v i 工艺的缺点则包括：材料内部易形成闭孔， 影响材料性能。设备较复杂，工艺周期长，不适合制备厚的预制件；复合材料残 余孔隙率高，致密化速度慢、效率低。 ( 3 ) 液相反应法 液相反应工艺制备c s i c 反射镜坯体过程如图1 2 所示：将短切c 纤维或c 毡用树脂浸渍，干燥固化后，在1 0 0 0 左右裂解得到c c 素坯；素坯在2 1 0 0 左 右的真空炉中石墨化后，其可加工性能得到改善；最后将c c 素坯置于高温真空 炉中，在1 4 1 0 - - 1 6 0 0 温度范围进行液相s i 浸渍反应后得到致密的c s i c 复合材 料反射镜坯体。液相反应的优点是：可以通过调整c c 素坯的密度和孔隙率控制 最终复合材料的密度；可采用转化连接制备具有夹芯结构的大尺寸轻量化反射镜。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 c a r b e ns t e r e f i b e rr e i n f o r c e de a r b e m ( c c ) r a w m a t e r i a l 圆圆圈回 m 打r o r s u b s t r a t e 圈圆回圈 圈12 液相反应工艺制备c s i c 反射镜坯体流程图刚 ( 4 ) 气相反应法 气相反应工艺与液相反应类似，在1 4 1 肚1 6 0 0 的真空反应炉中，由硅蒸汽对 c c 素坯进行渗透反应后得到致密的c s i c 复合材料反射镜坯体。气相反应同样可 以通过调整c c 素坯的密度和孔隙率控制最终复合材料的密度，可采用转化连接 制备具有夹芯结构的大尺寸轻量化反射镜，而且气相反应制各的c s i c 材料可实 现净近成型，后续机械加工量小。 比较以上四种c s i c 复合材料制备工艺，液相反应和气相反应具有其它两种 工艺所不具各的可连接优势，因此，液相和气相反应是当前制各c s i c 轻量化结 构反射镜的主要方法。欧洲很多公司如a s t r i u m 和i a b g 公司近几年来都对液相反 应法进行研究，制各出性能优异的反射镜。如德国i a b g 公司1 5 7 - 5 8 利用c c 素坯 优异的可加工性能及可连接优势，采用该方法制备的c s i c 复合材料反射镜作为 空间望远镜主镜，直径6 3 0 n u n ，重量仅为4 k g ，加强筋的厚度只有l m m ，轻量化 比率高达8 8 ，目前最大可制作直径达3 0 0 0 r a m 的大型反射镜，可望用于美国下 一代空间望远镜( n g s t ) 的主反射镜。 13 3c ，s l c 复合材料反射镜的应用进展 ( 1 ) 国外应用进展 c s i c 复合材料用于轻质反射镜材料的研究历史较短，其中德国的研究处于世 界领先地位，此外，美国和加拿大也在积极开展这方面的应用研究。 德国i a b g 和d s s 公司，在e s a 和n a s a 的资助下，发展了一系列用于光学 和光机部件的c s i c 复合材料，目前可制各直径为3 0 0 0 m m 的c s i c 复合材料。 其研制的c s i c 复合材料低温红外反射镜( 图1 3 左) ，直径5 0 0 m m ，厚度最大 处为5 9 m m ，面板厚度1 5 r a m 采用三角形和六边形综合轻量化孔，加强筋厚度 ll m m ，面密度达到8 k g m 2 。同时还研制了用于m s g ( m e t e o s a ts e c o n dg e n e r a t i o n ) 第8 页 国防科学技米大学研究生院硕士学位论文 的轻型扫描