轻型高强A l-Si/SiC复合材料反射镜的制备与性能

苑永涛 吴海鹰 刘红 方敬忠

（中国科学院光电技术研究所，成都 610209）

0 引言

随着空间光学技术的发展，光学系统对反射镜及其支撑结构提出了更为苛刻的要求[1-2]。传统金属结构材料如 A l合金、Ti合金、殷钢等，难以满足航空航天系统对材料的综合要求，选用比刚度和热稳定性更好的材料是解决空间光学系统应用问题的途径之一[3-4]。Al/SiC复合材料具有可调的机械和热匹配性能、设计自由度大、能适应严酷的空间环境等特性，因此，A l/SiC复合材料在航空航天系统中的应用日益广泛[5]。

目前美国、俄罗斯和日本在A l/SiC复合材料的研制应用方面处于领先的地位，其中美国已经将A l/SiC复合材料应用在航空航天领域，不仅用作高性能电子封装材料、航空航天结构件，近年来还使用铝基复合材料制作激光反射镜[6]、空间扫描镜[7-8]以及轻量化空间望远镜[9]。最近，国内也开展了A l/SiC复合材料反射镜的相关研究，文献[10-14]报道了A l/SiC复合材料在空间反射镜领域的应用研究。

A l/SiC复合材料制备方法较多，常用的有搅拌铸造法、粉末冶金法、压力浸渗和真空扩散浸渗法等。与其他几种方法相比，真空扩散浸渗技术采用凝胶注模工艺制备预制体，通过提高预制体中SiC的固相含量，使A l/SiC复合材料具有更低的热膨胀系数，并提高材料的力学性能。由于采用凝胶注模技术，可以制备大尺寸、复杂形状器件，并且可以净近尺寸成型，减少后期加工成本，因此真空扩散浸渗技术是制备空间光机器件的可行方法。本文采用凝胶注模结合真空扩散渗铝工艺制备了A l-Si/SiC复合材料，并测试了其力学性能、热学性能及机加工性能。同时在A l-Si/SiC复合材料表面制备了致密化涂层，通过光学加工研制出A l-Si/SiC复合材料反射镜，并测试了其光学性能。测试结果表明，本文研制的A l-Si/SiC复合材料反射镜可以满足空间光学的应用。

1 实验方法

1.1 A l-Si/SiC复合材料的制备

本文首先通过凝胶注模成型工艺制备SiC素坯，素坯经过干燥、碳化后，利用反应烧结工艺制备出致密的Si/SiC复合材料，然后在适当温度下，利用Si/SiC复合材料作为浸渗坯体，以不同A l含量的A l-Si合金为浸渗液，Al元素通过液相传质扩散至整个SiC坯体，从而制备出完整、致密的A l-Si/SiC复合材料。通过控制浸渗工艺参数可使A l元素在坯体中分布均匀，进而保证A l-Si/SiC复合材料物理性能的均匀性。

此外，由于A l-Si/SiC复合材料微观结构由A l、Si、SiC三相组成，直接进行光学加工，其表面粗糙度不能满足光学反射镜的应用需要，因此本文在材料表面制备了具有单相微观结构的致密涂层，并对其进行了光学加工。

1.2 A l-Si/SiC复合材料性能测试

A l-Si/SiC复合材料的密度测试采用阿基米德排水法，参照标准为GB/T 1423-1996《贵金属及其合金密度的测试方法》；热膨胀系数测定采用德国耐驰NETZSCH DIL-402C热膨胀仪，测试温区为0～40℃，参照标准为GJB 332-1987《固体材料线膨胀系数测试方法》；微观结构测试采用TM-1000扫描电子显微镜，表面粗糙度测试使用ZYGO Newview 7300表面粗糙度仪。

2 A l-Si/SiC复合材料的性能

2.1 A l-Si/SiC复合材料的主要性能

反射镜是空间光学系统的关键部件，对反射镜材料的选择可以依据比刚度和热性能这两个重要指标。本文制备的A l-Si/SiC复合材料（热膨胀系数为4.6×10–6K–1, 0～40℃）与常用反射镜材料的性能见表1。表中RB-SiC、A l-Si/SiC为中国科学院光电技术研究所自主研制的反射镜材料。从表1可以看出，RB-SiC的综合性能最好，但其断裂韧性较差（3.4MPa·m1/2），仅为A l-Si/SiC复合材料（断裂韧性6.1MPa·m1/2）的1/2；在常用反射镜材料中，SiC硬度最大，这也导致了SiC反射镜的高精度加工困难且价格昂贵；综合性能紧随 RB-SiC之后为 Be，但 Be粉尘会对人体产生严重危害，限制了其在反射镜领域的应用；A l-Si/SiC复合材料的综合性能仅次于SiC及Be，并且A l-Si/SiC复合材料导热系数比SiC提高了29%，有利于光机系统更快地实现热平衡，断裂韧性比SiC提高了79.4%，硬度也低于SiC，这些特性使Al-Si/SiC复合材料具有更好的机械及光学加工性能。综合考虑，A l-Si/SiC复合材料是一种综合性能优异的空间反射镜材料。

表1 A l-Si/SiC复合材料与常用反射镜材料性能对比Tab.1 Comparison of properties of A l-Si/SiC composites and other materials for mirror

2.2 A l-Si/SiC复合材料的热膨胀系数

图1 热膨胀系数与A l-Si合金中A l含量的关系Fig.1 The relationship between CTE of A l-Si/SiC composites and Al content in the Al-Si alloy

A l-Si/SiC复合材料的热膨胀系数可通过改变其成分精确调控，因此其性能可按使用的具体要求而灵活设计，这是金属材料或陶瓷材料难以比拟的。实验中通过设计不同比例的Al-Si合金浸渗Si/SiC制备出A l-Si/SiC复合材料，并测定相应的热膨胀系数值。经过不同A l含量的合金液浸渗后测定的A l-Si/SiC复合材料热膨胀系数如图1所示。结果表明，随着浸渗合金液中A l含量的增大，A l-Si/SiC复合材料的热膨胀系数逐渐增大，且A l-Si/SiC复合材料的热膨胀系数与浸渗合金液中A l的质量分数近似呈线性关系。当Al-Si合金中Al的质量分数为0时，热膨胀系数为 2.4×10–6K–1，即为 RB-SiC的热膨胀系数，与殷钢的热膨胀系数（2.5×10–6K–1）相匹配；当 Al-Si合金中A l的质量分数为37%时，A l-Si/SiC复合材料的热膨胀系数为 4.6×10–6K–1，与K4玻璃的热膨胀系数（4.6×10–6K–1）相匹配；当 A l-Si合金中 A l的质量分数为 100%时，即使用纯铝浸渗时，A l-Si/SiC 复合材料的热膨胀系数为 8.7×10–6K–1，与钛合金的热膨胀系数（9.2×10–6K–1）比较接近。由此可知，通过调整浸渗合金中A l的含量，可以制备出不同热膨胀系数的A l-Si/SiC复合材料，该材料可实现与航空航天领域常用的结构材料如Al合金、钛合金、殷钢等的热膨胀系数相匹配。

2.3 A l-Si/SiC复合材料的热膨胀系数均匀性

Al-Si/SiC复合材料微观结构及物理性能的均匀性直接影响其工程应用的可靠性，通过测试其热膨胀系数的均匀性也可以间接反应其微观组织分布及物理性能的均匀性。测试的A l-Si/SiC复合材料的热膨胀系数均匀性数据见表2，表中设计热膨胀系数为4.7×10–6K–1，所选试件直径为180mm，在两条相互垂直的直径方向上均匀选取9个区域制备测试样品评价热膨胀系数均匀性。由表2可以看出，热膨胀系数在(4.61～4.93)×10–6K–1之间，均匀性偏差为±0.16。可见本文研制的A l-Si/SiC复合材料均匀性较好，这得益于通过控制浸渗温度和保温时间可使Al在坯体中分布均匀，进而保证A l-Si/SiC复合材料显微结构及物理性能的均匀性。

表2 Al-Si/SiC的热膨胀系数均匀性Tab.2 The CTE uniform ity of A l-Si/SiC composites

2.4 A l-Si/SiC复合材料的机械加工性能

为了考察本文研制的A l-Si/SiC复合材料的机械加工性能，利用线切割、平磨、钻孔、攻丝等手段对A l-Si/SiC复合材料进行了加工。经实践证明，Al-Si/SiC复合材料的机械加工性能较好，在铣磨、钻孔、攻丝加工过程中没有发现崩边、开裂等现象，这说明航空航天结构合金的常用机械加工手段可以用作A l-Si/SiC复合材料的高精度加工，因此，A l-Si/SiC复合材料可以替代钛合金、铝合金及殷钢等用于空间光机结构材料。

同时，由于反应烧结工艺是一种近净尺寸成型工艺，可以直接制备出复杂结构、轻量化程度较高的大尺寸 Si/SiC复合材料，是目前制备大口径复杂轻量化结构反射镜坯体的首选方法[15]。而本文研制的A l-Si/SiC复合材料是将反应烧结工艺与真空浸渗工艺相结合，因此本文研制的A l-Si/SiC复合材料也是一种近净尺寸成型工艺方法，适宜于研制大口径复杂轻量化结构形状的光机部件。

2.5 A l-Si/SiC复合材料显微结构

图2 Al-Si/SiC复合材料断面及表面SEM图像Fig.2 SEM image of Al-Si/SiC composites

空间光学反射镜材料必须具有微观结构均匀、致密的特性，杜绝可能导致光学加工失败的气孔、气泡等缺陷。本文通过研究A l-Si/SiC复合材料的表面及断面微观结构考察了其作为光学镜面材料的应用可行性。SEM观察A l-Si/SiC复合材料断面形貌及表面形貌如图2所示，由图2（a）（b）可以看出，Al-Si/SiC复合材料内部结构均匀、致密，无明显的孔洞和瑕疵，能够满足光学反射镜材料要求及光学加工的需要。图 2（c）（d）中絮状物为附着于表面的污染物，可用作显微镜调焦参照物，并非材料本身的缺陷。由图2（c）（d）可见，经光学抛光后A l-Si/SiC复合材料表面均匀、致密，光洁度较好，证实了A l-Si/SiC复合材料用作反射镜的可行性。

2.6 A l-Si/SiC复合材料的光学加工性能

研制的 A l-Si/SiC复合材料反射镜其表面粗糙度测量结果如图 3所示，表面粗糙度均方根值达到1.017 nm，满足光学反射镜的使用要求。从图中还可以看出，A l-Si/SiC复合材料光学加工后表面存在许多浅划痕，这些划痕影响了光学加工精度的进一步提高。划痕产生的原因是由于抛光时使用的磨料硬度较大所致，如果选择硬度合适的磨料，改进抛光工艺，消除Al-Si/SiC复合材料表面的浅划痕，光学加工精度必将有更大的提高。今后，将改进光学加工工艺，以获得表面光学性能更好的A l-Si/SiC复合材料反射镜。

图3 A l-Si/SiC复合材料抛光后表面粗糙度Fig.3 Surface roughness of A l-Si/SiC composites

3 结束语

本文通过反应烧结结合真空扩散渗铝工艺制备了Al-Si/SiC复合材料，通过工艺控制，实现了热膨胀系数在较大的范围内（4.6×10–6K–1～8.7×10–6K–1, 0～40℃）连续可调，该材料可与航空航天常用的殷钢、钛合金以及K4玻璃的热膨胀系数匹配，具有较大的设计灵活度。A l-Si/SiC复合材料各项性能测试表明，该复合材料具有密度低、弹性模量高、断裂韧性好以及优良的机械加工性能等特点，可满足航空航天结构件的使用要求。同时，在A l-Si/SiC复合材料表面制备了具有单相结构的致密层，解决了其光学加工性能不高的问题，光学抛光后表面粗糙度均方根值达到1.017nm，表明A l-Si/SiC复合材料作为反射镜可以满足空间光学的应用。

References)

[1] 杨力. 先进光学制造技术[M]. 北京: 科学出版社, 2001.YANG Li. Fabricate Techniques in Advanced Optics[M]. Beijing: Science Press, 2001. (in Chinese)

[2] 刘韬, 周一鸣, 江月松. 国外空间反射镜材料及应用分析[J]. 航天返回与遥感, 2013, 34(5): 90-99.LIU Tao, ZHOU Yim ing, JIANG Yuesong. Research and Application of Foreign Space M irror Materials[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(5): 90-99. (in Chinese)

[3] 赵野, 李玲. 空间光学遥感器光机结构材料应用情况及展望[J]. 航天返回与遥感, 2011, 32(4): 68-74.ZHAO Ye, LI Ling. The Application and Prospect of Optical and Mechanical Structure Materials for Space Optical Remote Sensor[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2011, 32(4): 68-74. (in Chinese)

[4] 杨秉新. 空间相机用碳化硅 (SiC) 反射镜的研究[J]. 航天返回与遥感, 2003, 24(1): 15-18.YANG Bingxin. Research of SiC Reflection M irror for Space Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2003, 24(1):15-18. (in Chinese)

[5] 邢绍美, 马建平. 碳化硅铝基复合材料的应用与加工[J]. 航天返回与遥感, 1998, 19(2): 45-49.XING Shaomei, MA Jianping. The Application and Process of SiC/Al Composite Materials[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 1998, 19(2): 45-49. (in Chinese)

[6] Jiang X X, Laurin D. Design and Fabrication of a Lightweight Laser Scanning M irror from Metal-matrix Composites[J]. SPIE,2001, 4444: 1-8.

[7] Rawal S. Metal-Matrix Composites for Space Applications[J]. JOM, 2001(4): 14-17.

[8] Kunze J M, Bampton C C. Challenges to Developing and Producing MMCs for Space Applications[J]. JOM, 2001(4): 22-25.

[9] Mohn W R, Vukobratovich D. Engineered Metal Matrix Composites for Precision Optical Systems[J]. SPIE, 1987, 817:181-192.

[10] 任建岳, 陈长征, 何斌, 等. SiC和SiC/A l在TMA空间遥感器中的应用[J]. 光学精密工程, 2008, 16(12): 2537-2543.REN Jianyue, CHEN Changzheng, HE Bin, et al. Application of SiC and SiC/Al to TMA Optical Remote Sensor[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 16(12): 2537-2543. (in Chinese)

[11] 高明辉, 张军, 李景林, 等. 高体分 SiC/A l反射镜在空间光学应用可行性分析[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(7):1803-1807.GAO M inghui, ZHANG Jun, LI Jinglin, et al. Feasibility Analysis of High Volume Fraction SiC/Al M irror Application in Space Optics[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(7): 1803-1807. (in Chinese)

[12] 程志峰, 张葆, 崔岩, 等. 高体份 SiC/Al复合材料在无人机载光电稳定平台中的应用[J]. 光学精密工程, 2009, 17(11):2820-2827.CHENG Zhifeng, ZHANG Bao, CUI Yan, et al. Application of High Volume Fraction SiC/A l Composites to Unmanned Airborne Photoelectric Platforms[J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 17(11): 2820-2827. (in Chinese)

[13] 崔岩, 李丽富, 李景林, 等. 制备空间光机结构件的高体份SiC/A l复合材料[J]. 光学精密工程, 2007, 15(8): 1175-1180.CUI Yan, LI Lifu, LI Jinglin, et al. High Volume Fraction SiC/A l Composites for Space-based Opto-mechanical Structures[J].Optics and Precision Engineering, 2007, 15(8): 1175-1180. (in Chinese)

[14] CUI Yan, WANG Lifeng, REN Jianyue. Multi-functional SiC/A l Composites for Aerospace Applications[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2008(21): 578-584.

[15] 高劲松, 申振峰, 王笑夷, 等. SiC空间反射镜材料及其表面改性技术现状分析[J]. 中国光学与应用光学, 2009, 2(2):71-78.GAO Jinsong, SHEN Zhenfeng, WANG Xiaoyi, et al. Research Status Quo of SiC Space M irror Material and Its Surface Modification[J]. Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 2009, 2(2): 71-78. (in Chinese)