一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜及其制备方法和应用 (Silicon carbide ceramic matrix composite reflector and preparation method and application thereof ) 是由 刘持栋 刘小冲 付志强 张晰 王鹏 霍达 成来飞 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：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。(The invention relates to the technical field of manufacturing of optical reflector structures, in particular to a silicon carbide ceramic matrix composite reflector and a preparation method and application thereof. The invention also provides a reflector containing the continuous fiber reinforced silicon carbide ceramic matrix composite and a manufacturing method thereof, the reflector is used as a reflector main body material, the preparation of the reflector surface and the support structure is completed through the structural design and the integrated molding technology, and the specific stiffness, the strength and the thermal stability of the reflector can be greatly improved; meanwhile, the problem of surface micro-defects of the ceramic matrix composite reflector is greatly reduced through surface treatment of the reflecting surface, and the optical reflection performance of the mirror surface is improved; in addition, this technique has unique advantages in the preparation of large-sized mirrors.)
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：
一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜镜面，所述镜面为采用连续纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料镜面制得，所述连续纤维为连续碳纤维、连续碳化硅纤维、碳纤维和碳化硅纤维的混合连续纤维，所述连续纤维占所述碳化硅陶瓷基复合材料镜面的体积分数为20～60％。
本发明还保护了碳化硅陶瓷基复合材料反射镜镜面的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照反射镜结构模型，采用连续纤维制备相应的纤维预制体；
(2)将步骤(1)制得的纤维预制体定型后，于反应炉内采用第一次化学气相沉积工艺，完成纤维预制体的界面制备和碳化硅陶瓷基体制备，得到纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料；
(21)、纤维预制体的界面制备是在纤维预制体的纤维表面制备热解碳材料，具体制备方法为：将步骤(1)的纤维预制体置于反应炉内，通入丙烯、天然气和氢气的混合气体，于600-1100℃下化学气相沉积20-60h，得到热解碳界面的纤维预制体；
其中，丙烯的流量为200-1000mL/min，天然气的流量为500-1500mL/min；
(22)、碳化硅陶瓷基体的制备，是在步骤(21)热解碳界面的纤维预制体内部制备碳化硅陶瓷，具体制备方法为：将步骤(21)的热解碳界面的纤维预制体置于反应炉内，以三氯甲基硅烷为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体，三氯甲基硅烷∶H2∶Ar的流量比为1∶5-15∶10-20，于900-1200℃，沉积炉总气压为0.5-5kPa条件下沉积40-100h，制得纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料；
(3)对步骤(2)制得的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料去除工艺边角后进行致密化处理，所述致密化处理为第二次气相沉积工艺，所述第二次气相沉积工艺与步骤(22)的第一次化学气相沉积工艺一致，得到致密纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜；
(4)对步骤(3)制得的致密纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料的反射面进行表面抛磨处理后，采用热喷涂工艺或物理气相沉积工艺，在其反射面制备反射面材料，得到碳化硅陶瓷基复合材料镜面；
(5)采用表面抛光工艺，对步骤(4)制得的碳化硅陶瓷基复合材料镜面进行抛光，直至反射面达到使用要求，制得碳化硅陶瓷基复合材料反射镜。
优选的，步骤(1)中纤维预制体结构为纤维布叠层缝合结构、三维针刺结构、多层单向带叠层结构、网胎无纺布叠层穿刺结构中的一种。
优选的，步骤(21)需循环执行1-4次，于纤维预制体的界面制备之后，热解碳界面的纤维预制体的制备还包括热处理过程，所述热处理过程的方法为：于真空条件下，于1800-2200℃热处理30-100h。
优选的，步骤(22)需循环执行4-12次，步骤(3)需循环执行2-8次。
优选的，步骤(3)中，表面抛磨处理选自喷砂处理、抛磨处理或机械加工处理；热喷涂工艺选用等离子喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂中的一种；使维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料的表面粗糙度Ra介于3.2-12.5之间。
优选的，步骤(3)中，反射面材料选用硅、碳化钛、碳化钨中的一种，且反射面材料厚度为5-300μm。
本发明还保护了碳化硅陶瓷基复合材料反射镜在制备光学反射镜材料中的应用。
本发明还保护了包含镜面的碳化硅陶瓷基复合材料反射镜，还包括支撑结构和连接件，所述镜面与所述支撑结构通过所述连接件连接。
优选的，步骤(2)制得的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料在表面抛磨前，若与支撑结构连接，则在采用连接件连接镜面和支撑结构后，于反应炉内采用第三次化学气相沉积工艺完成镜面、支撑结构和连接件的原位同质焊接；且连接件和支撑结构的材质均与纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料的材质相同；
所述第三次化学气相沉积工艺与步骤(22)的化学气相沉积工艺一致；
若反射镜仅由反射面单个零件组成或者反射面与支撑结构为同一坯料加工而成，则无需销钉连接和原位同质焊接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、相比于当前的烧结碳化硅和短切碳纤维增强碳化硅复合材料材料反射镜方案，由于材料本身的低韧性(1-4MPa·m1/2)，导致难以成型大尺寸构件，且反射镜结构强度低、易开裂、表面微观缺陷多。本发明公开的陶瓷基复合材料反射镜，创新性地将具有连续纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料反射镜用于反射镜主体结构，不仅继承了碳化硅陶瓷材料作为光学反射镜的优势，而且克服了烧结碳化硅和短切碳纤维增强碳化硅复合材料材料脆性大、强度低的问题。
2、本发明创新性地采用化学气相沉积工艺完成反射镜各组成零件的原位同质焊接，克服了烧结碳化硅和短切碳纤维增强碳化硅复合材料材料难以成型大尺寸构件的问题；创新性地采用热喷涂或物理气相沉积工艺在陶瓷基复合材料反射镜表面制备了反射面材料，大幅减少了陶瓷基复合材料反射镜的表面微观缺陷，显著提升了反射镜的光学性能。
3、本发明还具有显著提升反射镜结构强度、提高韧性、降低结构重量、减少反射面微观缺陷的效果；采用本发明的步骤所制得的陶瓷基复合材料反射镜构件，其抗拉强度为150～400MPa，断裂韧性为15～25MPa·m1/2，弹性模量为90～350GPa，密度为1.8～2.6g/cm3，常温热膨胀系数为0.8～2.5×10-6/℃。
附图说明
图1为碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的正面结构图；
图2为碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的背面结构图；
图3为碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的反射面零件图；
图4为碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的支撑结构零件图一；
图5为碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的支撑结构零件图二。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实验方法和检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；下述试剂和原料，如没有特殊说明，均为市售。
实施例1
一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的制备方法，包括如下步骤：
本实施例反射镜结构的反射面和支撑结构采用同一块坯料加工而成；
(1)采用连续碳纤维，按照反射镜结构模型制备三维针刺结构的纤维预制体，纤维预制体内的连续纤维占碳化硅陶瓷基复合材料镜面的体积分数为25～30％；
(2)将步骤(1)制备的纤维预制体放入石墨模具内定型，并将装夹好纤维预制体的石墨模具置入反应炉内，采用第一次化学气相沉积工艺，完成纤维预制体的界面制备和碳化硅陶瓷基体制备，得到纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料；
(21)、纤维预制体的界面制备是在纤维预制体的纤维表面制备热解碳材料，具体制备方法为：将步骤(1)的纤维预制体置于反应炉内，通入丙烯、天然气和氢气的混合气体，于1100℃下化学气相沉积20h，按照上述操作继续循环执行3次，共执行4次化学气相沉积操作，然后于真空条件下，于1800℃热处理100h，得到热解碳界面的纤维预制体；
(22)、碳化硅陶瓷基体的制备，是在步骤(21)热解碳界面的纤维预制体内部制备碳化硅陶瓷，具体制备方法为：以三氯甲基硅烷为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体，三氯甲基硅烷∶H2∶Ar的流量比为1∶5∶20，于900℃，沉积炉总气压为5kPa条件下沉积40h后，按照上述操作继续循环执行3次，共执行4次化学气相沉积操作，制得纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料；
(3)采用机械加工的手段，将步骤(2)制备的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料坯料去除工艺边角后进行致密化处理，所述致密化处理为第二次气相沉积工艺，所述第二次气相沉积工艺与所述步骤(22)的化学气相沉积工艺一致，并循环执行8次，形成致密纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜；
(4)对步骤(3)制得的致密纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的反射面进行表面喷砂处理，控制其表面粗糙度Ra介于6.3～12.5之间，并去除多余物；
采用爆炸喷涂工艺，在纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料的反射面制备厚度为20～80μm的碳化钨，得到碳化硅陶瓷基复合材料镜面；
(5)采用表面抛光工艺，对步骤(4)的碳化硅陶瓷基复合材料镜面碳化钨层进行抛光，直至反射面达到使用要求，制得碳化硅陶瓷基复合材料反射镜。
本实施例采用以上步骤所制得的陶瓷基复合材料反射镜，其抗拉强度为150MPa，断裂韧性为18MPa·m1/2，弹性模量为95GPa，密度为2.1g/cm3，常温热膨胀系数为1.2×10-6/℃。
实施例2
一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的制备方法，包括如下步骤：
本实施例的反射镜结构含反射面、支撑结构和多个连接件，反射面、支撑结构和连接件均采用连续碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，反射面和支撑结构采用连接件连接并通过第三次化学气相沉积工艺原位同质焊接为一体；
(1)采用连续碳纤维，按照反射面和支撑结构的结构模型制备相应的纤维预制体，纤维预制体采用平纹编织的二维布叠层缝合而成，纤维预制体内连续纤维占碳化硅陶瓷基复合材料镜面的体积分数为40～48％；
(2)将步骤(1)制备的纤维预制体放入石墨模具内定型，并将装夹好纤维预制体的石墨模具置入反应炉内，采用第一次化学气相沉积工艺，完成纤维预制体的界面制备和碳化硅陶瓷基体制备，得到纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料；
(21)、纤维预制体的界面制备是在纤维预制体的纤维表面制备热解碳材料，具体制备方法为：将步骤(1)的纤维预制体置于反应炉内，通入丙烯、天然气和氢气的混合气体，于1000℃下化学气相沉积40h，按照上述操作继续循环执行1次，共执行2次化学气相沉积操作，然后于真空条件下，于2000℃热处理60h，得到热解碳界面的纤维预制体；
(22)、碳化硅陶瓷基体的制备，是在步骤(21)热解碳界面的纤维预制体内部制备碳化硅陶瓷，具体制备方法为：以三氯甲基硅烷为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体，三氯甲基硅烷∶H2∶Ar的流量比为1∶10∶15，于1000℃，沉积炉总气压为2kPa条件下沉积80h后，按照上述操作继续循环执行5次，共执行6次化学气相沉积操作，制得纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料；
(3)采用机械加工的手段，将步骤(2)制备的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料去除工艺边角后进行致密化处理，所述致密化处理为第二次气相沉积工艺，所述第二次气相沉积工艺与所述步骤(22)的化学气相沉积工艺一致，并循环执行2次，形成致密纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜；
采用相同材质的销钉连接件连接镜面和支撑结构，然后置入反应炉内，执行第三次化学气相沉积工艺2次，所述第三次化学气相沉积工艺与所述步骤(22)的化学气相沉积工艺一致，完成镜面、支撑结构和销钉连接件的原位同质焊接，形成纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜组件；
(4)对步骤(3)制备的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜组件的反射面进行表面抛磨处理，控制其表面粗糙度Ra介于3.2～6.3之间，并去除多余物；
采用物理气相沉积工艺，在纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜零件的反射面制备厚度为15～30μm的硅，得到碳化硅陶瓷基复合材料镜面；
(5)采用表面抛光工艺，对步骤(4)的碳化硅陶瓷基复合材料镜面硅层进行抛光，直至反射面达到使用要求，制得碳化硅陶瓷基复合材料反射镜。
采用以上步骤所制得的陶瓷基复合材料反射镜构件，其抗拉强度为260MPa，断裂韧性为20MPa·m1/2，弹性模量为120GPa，密度为1.95g/cm3，常温热膨胀系数为0.9×10-6/℃。
实施例3
一种碳化硅陶瓷基复合材料反射镜的制备方法，包括如下步骤：
本实施例的反射镜结构含反射面、支撑结构和多个连接件，反射面、支撑结构和连接件均采用连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，反射面和支撑结构采用连接件连接并通过第三次化学气相沉积工艺原位同质焊接为一体；
(1)采用连续碳化硅纤维，按照反射面和支撑结构的结构模型制备相应的纤维预制体，纤维预制体采用平纹编织的二维布叠层缝合而成，纤维预制体内连续纤维占碳化硅陶瓷基复合材料镜面的体积分数为35～42％；
(2)将步骤(1)制备的纤维预制体放入石墨模具内定型，并将装夹好纤维预制体的石墨模具置入反应炉内，采用第一次化学气相沉积工艺，完成纤维预制体的界面制备和碳化硅陶瓷基体制备，得到纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料；
(21)、纤维预制体的界面制备是在纤维预制体的纤维表面制备热解碳材料，具体制备方法为：将步骤(1)的纤维预制体置于反应炉内，通入丙烯、天然气和氢气的混合气体，于600℃下化学气相沉积60h，按照上述操作继续循环执行1次，共执行2次化学气相沉积操作，得到热解碳界面的纤维预制体；
(22)、碳化硅陶瓷基体的制备，是在步骤(21)热解碳界面的纤维预制体内部制备碳化硅陶瓷，具体制备方法为：以三氯甲基硅烷为先驱体，氢气作为载气和稀释气体，氩气作为保护气体，三氯甲基硅烷∶H2∶Ar的流量比为1∶15∶10，于1200℃，沉积炉总气压为0.5kPa条件下沉积100h后，按照上述操作继续循环执行3次，共执行4次化学气相沉积操作，制得纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料；
(3)采用机械加工的手段，将步骤(2)制得的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜坯料去除工艺边角后进行致密化处理，所述致密化处理为第二次气相沉积工艺，所述第二次气相沉积工艺与所述步骤(22)的化学气相沉积工艺一致，并循环执行6次，形成致密纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜；
采用相同材质的销钉连接件连接镜面和支撑结构，然后置入反应炉内，执行第三次化学气相沉积工艺4次，所述第三次化学气相沉积工艺与所述步骤(22)的化学气相沉积工艺一致，完成镜面、支撑结构和销钉连接件的原位同质焊接，形成纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜组件；
(4)对步骤(3)制备的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜组件的反射面进行表面喷砂处理，控制其表面粗糙度Ra介于6.3～12.5之间，并去除多余物；
采用等离子喷涂工艺，在纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料反射镜零件的反射面制备厚度为200～270μm的硅，得到碳化硅陶瓷基复合材料镜面；
(5)采用表面抛光工艺，对步骤(4)的碳化硅陶瓷基复合材料镜面硅层进行抛光，直至反射面达到使用要求，制得碳化硅陶瓷基复合材料反射镜。
采用以上步骤所制得的陶瓷基复合材料反射镜构件，其抗拉强度为380MPa，断裂韧性为24MPa·m1/2，弹性模量为320GPa，密度为2.5g/cm3，常温热膨胀系数为1.8×10-6/℃。
本发明实施例1-实施例3制得的碳化硅陶瓷基复合材料反射镜结构相同，其正面结构、背面结构、反射面零件及支撑结构零件均如图1-图5所示。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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