C/SiC复合材料反射镜研究进展 黄禄明张长瑞刘荣军曹英斌 (国防科技大学航天科学与工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,长沙410073) 文摘反射镜在空间光学系统中起着非常关键的作用,目前已发展到第四代C/SiC复合材料。C/SiC 复合材料具有低密度、高模高强、结枃设计灵活等优点,已成为非常重要的新型反射镜材料。本文对四代反射 镜的特点进行了归纳和对比,对C/SiC复合材料反射镜的结构设计、几种常用的制备工艺进行了整理和总结, 并对目前国内外的研究进展进行了综述 关键词C/SiC,复合材料,轻型反射镜,研究进展 中图分类号:TB332 DOI:10.3969/jisn.1007-2330.2016.06005 Process of C/SiC Composites Used in Space mirror HUANG Luming ZHANG Changrui LIU Rongjun CAO Yingh ence and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory, College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073) Abstract The mirrors play a key role in the space optical system, and it has been developed to the fourth gen- eration of C/SiC composites. C/SiCcomposites have become very important materials for light-weight mirrors because of the advantage of low density, high stiffness and strength, considerable flexibility in structural design and so on. In this paper, the characteristics of four generation of mirror were contrast, the preparation process and the structure de- sign of C/SiC composites were summarized, the development of the C/SiC mirror at home and abroad is reviewed Key words C/SiC, Composites, Mirror, Development 0引言 镜要达到的要求是:(1)大尺寸;(2)具有高模量、高 人类步入航天时代以来,利用空间飞行器搜集信热导、低线胀系数及各向同性;(3)加工工艺性好,能 息已成为各国竞相争夺的战略要点。而其中空间光获得低的表面粗糙度,可进行加工减重、成本低-。 学系统的分辨率,须采用全反式或折反式架构。反射代典型材料对比(四 学系统在这个过程中发挥着关键作用,为提高空间光反射镜材料已经发展到第四代{2=4。表1列出了几 表1典型反射镜材料性能 Tab.I Typical properties of mirror materials /W·(mK)1C小(kg·K)"CTE/10-K ULE 140 0 第一代材料为玻璃,能获得表面粗糙度很低的镜差,不适于制备大型反射镜。第二代材料是以Be、Si 面,且线胀系数几乎为零;但缺点是比模量低、导热为代表的金属材料,Be及其合金有优异的力学性能; 收稿日期:2015-12-25;修回日期:2016-07-12 作者简介:黄禄明,1993年出生,硕士研究生,主要从事陶瓷基复合材料方面的研究。E-mail: huandduming019@ gmail 宇航材料工艺htp:w.sheley.com2016年第6期收稿日期:２０１５－１２－２５ꎻ修回日期:２０１６－０７－１２ 作者简介:黄禄明ꎬ１９９３ 年出生ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事陶瓷基复合材料方面的研究ꎮ Ｅ－ｍａｉｌ:ｈｕａｎｇｌｕｍｉｎｇ１０１９＠ ｇｍａｉｌ.ｃｏｍ Ｃ / ＳｉＣ 复合材料反射镜研究进展 黄禄明 张长瑞 刘荣军 曹英斌 (国防科技大学航天科学与工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室ꎬ长沙 ４１００７３) 文 摘 反射镜在空间光学系统中起着非常关键的作用ꎬ目前已发展到第四代 Ｃ / ＳｉＣ 复合材料ꎮ Ｃ / ＳｉＣ 复合材料具有低密度、高模高强、结构设计灵活等优点ꎬ已成为非常重要的新型反射镜材料ꎮ 本文对四代反射 镜的特点进行了归纳和对比ꎬ对 Ｃ / ＳｉＣ 复合材料反射镜的结构设计、几种常用的制备工艺进行了整理和总结ꎬ 并对目前国内外的研究进展进行了综述ꎮ 关键词 Ｃ / ＳｉＣꎬ复合材料ꎬ轻型反射镜ꎬ研究进展 中图分类号:ＴＢ３３２ ＤＯＩ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００７－２３３０.２０１６.０６.００５ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｃ / ＳｉＣ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｓｐａｃｅ Ｍｉｒｒｏｒ ＨＵＡＮＧ Ｌｕｍｉｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｎｇｒｕｉ ＬＩＵ Ｒｏｎｇｊｕｎ ＣＡＯ Ｙｉｎｇｂｉｎ (Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙꎬ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３) Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｍｉｒｒｏｒｓ ｐｌａｙ ａ ｋｅｙ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍꎬ ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ ｇｅｎ￣ ｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃ / ＳｉＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ. Ｃ / ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｃｏｍｅ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｌｉｇｈｔ￣ｗｅｉｇｈｔ ｍｉｒｒｏｒｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｌｏｗ ｄｅｎｓｉｔｙꎬ ｈｉｇｈ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈꎬ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ.Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒꎬ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｒｒｏｒ ｗｅｒｅ ｃｏｎｔｒａｓｔꎬ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅ￣ ｓｉｇｎ ｏｆ Ｃ / ＳｉＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄꎬ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃ / ＳｉＣ ｍｉｒｒｏｒ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｃ / ＳｉＣꎬ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬ Ｍｉｒｒｏｒꎬ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ０ 引言 人类步入航天时代以来ꎬ利用空间飞行器搜集信 息已成为各国竞相争夺的战略要点ꎮ 而其中空间光 学系统在这个过程中发挥着关键作用ꎬ为提高空间光 学系统的分辨率ꎬ须采用全反式或折反式架构ꎮ 反射 镜要达到的要求是:(１)大尺寸ꎻ(２)具有高模量、高 热导、低线胀系数及各向同性ꎻ(３)加工工艺性好ꎬ能 获得低的表面粗糙度ꎬ可进行加工减重、成本低[１－２] ꎮ 反射镜材料已经发展到第四代[２－４] ꎮ 表 １ 列出了几 代典型材料对比[５－８] ꎮ 表 １ 典型反射镜材料性能 Ｔａｂ.１ Ｔｙｐｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｉｒｒｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒ λ / Ｗ􀅰(ｍ􀅰Ｋ) －１ Ｃｐ / Ｊ􀅰(ｋｇ􀅰Ｋ) －１ ＣＴＥ/ １０ －６ Ｋ －１ Ｅ/ ρ α/ λ Ｒａ / ｎｍ １ ｓｔ Ｚｅｒｏｄｕｒ ＵＬＥ １.６４ １３ ８２１ ７０８ ３.２ ０.０３ ３６ ３０.５ ２ ０.００２ － ≤０.３ ２ ｎｄ Ｂｅ Ｓｉ １９４ １７０ １８２０ ７１１ １１.４ ２.６ １６４ ７１ ０.０６ ０.０１５ ≤１ ≤０.５ ３ ｒｄ ＳｉＣ １４０ ７１０ ４.３ １２６ ０.０３ ≤１ ４ ｔｈ Ｃ/ ＳｉＣ １２５ ７００ ２ ８７ ０.０１６ ≤２ 第一代材料为玻璃ꎬ能获得表面粗糙度很低的镜 面ꎬ且线胀系数几乎为零ꎻ但缺点是比模量低、导热 差ꎬ不适于制备大型反射镜ꎮ 第二代材料是以 Ｂｅ、Ｓｉ 为代表的金属材料ꎬＢｅ 及其合金有优异的力学性能ꎻ — ２６ — 宇航材料工艺 ｈｔｔｐ: / / ｗｗｗ.ｙｈｃｌｇｙ.ｃｏｍ ２０１６ 年 第 ６ 期