400多年前，伽利略發(fā)明了第一臺光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將遙遠(yuǎn)的星空拉近到目之所及，同時也開啟了人類利用光學(xué)儀器的科學(xué)探索之路。

正在建造的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡，它被譽(yù)為“地球望向天空的最大的眼睛”

說到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，顧名思義，它是利用可見光完成成像的，目前的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡有反射式和折射式兩種，而現(xiàn)代大型的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)均采用反射式結(jié)構(gòu)，因?yàn)榉瓷涫酵h(yuǎn)鏡沒有色差的困擾，可實(shí)現(xiàn)紫外線到紅外線的大范圍觀測。如果把大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡比作人類的“千里眼”，那么主反射鏡就是這只“千里眼”的核心部件——“角膜”。

國際上常用的反射鏡基體材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹，以及碳纖維/碳化硅復(fù)合材料等。與其他材料相比，碳化硅(SiC)具有更大的比剛度（E/ρ）和熱穩(wěn)定性(λ/α)，這使得在實(shí)現(xiàn)同樣的光學(xué)口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡具有更小的重量、更優(yōu)的熱穩(wěn)定性。

完美倒映出帥氣面容的4米量級碳化硅反射鏡

有關(guān)資料表明，碳化硅質(zhì)反射鏡與微晶玻璃鏡體相比，其輕量化程度大于70%，重量減輕近一半，面形變化比微晶玻璃小1倍，且可進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。因此碳化硅也成為大口徑反射鏡鏡坯材料中的佼佼者——如2018年7月時，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密器械與物理研究所就完成了4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制，是當(dāng)時世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。

表 碳化硅材料與其他常用光學(xué)材料的主要物理性質(zhì)

碳化硅反射鏡的制作難點(diǎn)

隨著技術(shù)發(fā)展，碳化硅反射鏡的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，在空間對地觀測、深空探測、天文觀測和量子通訊等方面都能看到它的身影。

但是，這些高性能空間光學(xué)元件往往會要求具有超光滑表面（表面粗糙度<1nm RMS），因此碳化硅材料在反射鏡應(yīng)用方面主要面臨以下兩方面困難：一方面，由于SiC材料比剛度大，化學(xué)穩(wěn)定性高，很難通過機(jī)械力拋光的方法直接獲得高質(zhì)量的SiC光學(xué)鏡面；另一方面，非常難以直接制備完全致密的SiC材料，殘留的氣孔等缺陷會影響光學(xué)加工質(zhì)量，最終影響鏡面質(zhì)量。不過令人意外的是，后者的影響其實(shí)遠(yuǎn)比前者要小。

曾有科學(xué)家研究過密度對對光學(xué)鏡面加工質(zhì)量的影響，初步研究結(jié)果如下圖所示，在相同加工工藝條件下，碳化硅陶瓷密度對光學(xué)鏡面加工質(zhì)量確實(shí)有一定影響。當(dāng)采用一定粒度的金剛石拋光液對碳化硅陶瓷試樣進(jìn)行光學(xué)鏡面加工時，低密度的碳化硅陶瓷光學(xué)鏡面加工后表面粗糙度較高，高密度的碳化硅陶瓷光學(xué)鏡面加工后表面粗糙度較低。

碳化硅密度對光學(xué)鏡面加工質(zhì)量的影響

通過光學(xué)顯微鏡觀察，碳化硅陶瓷光學(xué)鏡面加工后表面缺陷主要表現(xiàn)為氣孔或缺陷，密度較高的碳化硅陶瓷試樣光學(xué)鏡面加工后，表面氣孔或缺陷更少，表面質(zhì)量更好。另外，降低磨粒尺寸有利于表面質(zhì)量的提高。

如上所述，碳化硅陶瓷密度對光學(xué)鏡面加工質(zhì)量有一定影響，但由圖可知，在一定密度范圍內(nèi)（3.09～3.13 g·cm3），光學(xué)鏡面加工質(zhì)量差別不大，若進(jìn)一步改善加工工藝，采用粒度更小的拋光液對碳化硅陶瓷試樣進(jìn)行光學(xué)鏡面加工后，均可得到較好的表面質(zhì)量。這說明，當(dāng)碳化硅陶瓷密度達(dá)到一定高度時，密度對光學(xué)鏡面加工質(zhì)量的影響可通過光學(xué)鏡面加工工藝的優(yōu)化而減小或消除，即影響碳化硅陶瓷光學(xué)鏡面加工質(zhì)量的主要因素表現(xiàn)為加工工藝參數(shù)，而密度對光學(xué)鏡面加工質(zhì)量的影響則可以忽略。

因此綜合來看，為使SiC材料具有超光滑表面以滿足光學(xué)應(yīng)用要求，目前常用的解決辦法主要是：對SiC材料進(jìn)行表面改性，其方式為在SiC鏡體光學(xué)表面鍍致密化涂層，然后對涂層進(jìn)行拋光。

碳化硅反射鏡的制備與加工

把一塊粗糙的、灰黑的碳化硅陶瓷塊鏡坯打造為光可鑒人的反射鏡，變化之大完全不亞于丑小鴨變天鵝，具體的制備流程可看下圖。如何在得到較高表面質(zhì)量的同時實(shí)現(xiàn)快速加工，則是材料學(xué)界一直以來的研究重點(diǎn)。

大口徑反射鏡制造流程

1.鏡坯的制造

制備SiC反射鏡坯的工藝有許多種，除了熱壓燒結(jié)、氣相沉積外，最有應(yīng)用價值的是反應(yīng)燒結(jié)法，具有成本低和可實(shí)現(xiàn)凈尺寸燒結(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

反應(yīng)燒結(jié)法流程為：利用SiC粉制得所需形狀的坯體，然后將該坯體在Si氣氛下燒結(jié)。整個工藝中關(guān)鍵點(diǎn)有以下幾個：①燒結(jié)體中盡可能少氣孔和裂紋；③坯體具有輕量化結(jié)構(gòu)。

2.銑磨粗拋

剛燒結(jié)出的碳化硅反射鏡坯必然是粗糙無比，因此它還需要研磨加工才能進(jìn)一步接近鏡子的形象，首先要做的就是粗磨。粗磨方法有兩種，一種是通過金剛石車床進(jìn)行加工；另一種是研磨法。

用金剛石車床進(jìn)行粗磨具有速度快的優(yōu)點(diǎn)，但由于加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力很大，金剛石刀頭會在光學(xué)面上留下較深的劃痕和破壞層。這些劃痕和破壞層為細(xì)磨和拋光帶來較大的困難，所以這種方法較少采用。在采用研磨法時，磨具一般采用鑄鐵盤或碳化硅盤，粗磨磨料一般是采用粒徑在100~200μm之間的碳化硅粉或碳化硼粉。碳化硅粉價格便宜，但硬度差，加工效率低；而碳化硼粉價格較貴，但硬度高，加工效率高。粗磨后，工件光學(xué)面面形精度的RMS應(yīng)低于20μm。

毛坯經(jīng)初步銑磨后的表面狀態(tài)

3.表面改性

由于鏡坯粗磨后其表面粗糙度仍會較高，這種情況必然會產(chǎn)生較強(qiáng)的散射效應(yīng)，降低光學(xué)表面的反射率，使整個光學(xué)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)較高的成像質(zhì)量。因此，為保證反射鏡在空間光學(xué)成像系統(tǒng)的正常運(yùn)作，必須提高其反射率，而表面改性即是解決這一問題的主要手段。

碳化硅材料表面改性主要是在其表面鍍致密化涂層，以改善碳化硅材料的可加工性能及覆蓋其表面缺陷。表面涂層技術(shù)是在嚴(yán)格的溫度條件下進(jìn)行的復(fù)雜化學(xué)物理反應(yīng)，在表面致密化涂層過程中，必須考慮如下因素：涂層與碳化硅基體之間有較好的結(jié)合強(qiáng)度；涂層和碳化硅基體的熱膨脹系數(shù)要相匹配；涂層具備必要的硬度和抗化學(xué)腐蝕性能；不發(fā)生涂層再結(jié)晶化過程等。目前比較成熟的碳化硅表面致密化涂層技術(shù)有化學(xué)氣相沉積碳化硅（CVD SiC）和物理氣相沉積硅（PVD Si）等。

碳化硅表面改性前后散射性能對比

4.精密拋光與鍍膜

經(jīng)過表面改性后，有了涂層的SiC反射鏡與之前相比呈現(xiàn)出更少的表面缺陷。不過這還不夠，合格的反射鏡還需要在改性層基礎(chǔ)上進(jìn)行精拋光，這種方式可以大幅改善光線在反射鏡表面的散射。最終可以使反射鏡的反射率達(dá)到95%以上。

這一步驟的拋光技術(shù)主要采用反應(yīng)接觸式光學(xué)加工技術(shù)和非接觸式光學(xué)加工技術(shù)，前者包括化學(xué)機(jī)械拋光、磁流變拋光技術(shù)（長春光機(jī)所的4米量級碳化硅反射鏡就使用了這種拋光工藝）等；后者則包括浮法拋光等。與傳統(tǒng)機(jī)械拋光工藝相比，這些工藝在拋光過程中磨料與試樣表面的作用更輕柔，拋光后材料的次表面破壞層更少，表面殘余應(yīng)力較小，加工效果較好，且無磨具磨損，標(biāo)準(zhǔn)面幾乎無變化，可重復(fù)獲得精密的工件表面。

磁流變拋光

不過這還沒完，可別忘記表面還需涂覆銀反射膜和防氧化膜才能算大功告成。就這樣，碳化硅陶瓷就能華麗變身，成為“光彩照人”的反射鏡啦！

資料來源：

碳化硅表面改性和光學(xué)鏡面加工的研究現(xiàn)狀，劉桂玲，黃政仁，劉學(xué)建，董紹明，江東亮。

碳化硅光學(xué)鏡面加工，范摘，張忠玉，牛海燕，豐玉琴，張學(xué)軍。

碳化硅陶瓷密度對光學(xué)鏡面加工質(zhì)量的影響，劉桂玲，黃政仁，陳健，劉學(xué)建，江東亮。

且說“千里眼”的“角膜”，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所。

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