空间大口径轻质反射镜材料研究进展

（中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024）

0 引言

反射镜作为空间光学系统中的关键部件,是大型太空望远镜、探测卫星、气象卫星、侦察卫星、高分辨率相机等系统的重要组成部分。随着空间成像技术的发展，对空间光学系统的要求越来越高。除了满足镜面的高分辨率要求之外，还要求反射镜具有良好的成像质量[1]，大口径、长焦距是航空光电系统的发展趋势[2]。因此，提出轻质反射镜的设计方案可以在不影响反射镜口径的条件下提高空间反射镜的工作性能。目前,反射镜常用材料有低膨胀石英玻璃、微晶玻璃、铍、碳化硅等材料。玻璃材料低膨胀石英玻璃和微晶玻璃均已经在对地观测卫星中得到广泛应用。但作为玻璃材料，其弹性模量较低。因此，碳化硅和铍等具有高弹性模量的后续材料得到了极大发展[3]。其中，铍具有低密度、高比热和热导率的性能，使其成为极具潜力的空间轻质反射镜材料。本文主要介绍了光电系统中反射镜常用材料的特性及发展现状。

1 反射镜常用材料与性能对比

由于反射镜的研发存在很多制约因素，不同的工作环境对反射镜材料的需求不同。空间反射镜处于无重力或微重力，低温与温差大，还要考虑发射时的载荷要求[4]，这就要求选择符合系统要求的反射镜材料。空间大尺寸反射镜的制作要求所用材料热变形系数小，比刚度大，表面粗糙度小。目前,反射镜常用材料有低膨胀石英玻璃、微晶玻璃、铍、碳化硅等，性能参数如表1所示。

表1 典型反射镜材料的性能对比Tab.1 Performance comparison of typical mirror materials

通过对以上反射镜材料各项性能的分析可见，每种材料都具有独特的优点，但也存在一些缺点。碳化硅的热性能和机械性能优异，但光学性能较差，通常只能作为反射镜片的基体材料，化学气相沉积碳化硅（CVD-SiC）除具有碳化硅材料的优点外，可以加工高精度光学表面，但这种材料难以制备复杂结构零件。铍金属在所有光学材料中比刚度最大且密度低，热膨胀系数低，同时也和大多数光学设备上的镀层材料的热膨胀系数接近，但是其具有毒性，加工困难，成本增加。玻璃材料（低膨胀石英玻璃、微晶玻璃）具有极低的热膨胀系数，但机械性能差，刚度低，在同等重力变形下所制造的镜片重量很大，发射成本极高，所以如何减轻重量是玻璃材料的主要问题，同时，较低的弹性模量极大限制了其在光电系统的应用[5]。

2 反射镜典型材料和新型复合材料的发展现状

SIC和铍等具有高弹性模量的后续材料得到了极大发展。当前，新型复合材料在空间反射镜领域发展很快，例如C/SiC、碳纤维增强树脂基复合材料、C/C复合材料等。

2.1 低膨胀石英玻璃

低膨胀石英玻璃是一种掺二氧化钛石英玻璃，具有极低的热膨胀系数。冷热加工性能优良，可以通过高温熔接法、低温熔接法、熔接物封接法等工艺制成封闭式蜂窝结构，如图1所示，轻量化的同时又很好弥补了材料力学性能的不足[3]。低膨胀石英玻璃材料制备成熟，光学加工和工程应用趋于完善，如NASA哈勃太空望远镜的主镜坯（图2）。我国多个对地观测卫星如GF-1、GF-4等都应用了低膨胀石英玻璃反射镜。在国内，3m直径的超低膨胀玻璃反射镜相关技术研究已相对成熟，对叠层构型组件进行创新与优化，已达到工程应用要求[6]。中国建筑材料科学研究总院有限公司顾真安院士通过系统研究气相沉积法，得出了化学成分掺杂量与膨胀系数的线性关系。膨胀系数随二氧化钛含量增加而降低，且二氧化钛含量对膨胀系数的影响随温度升高而增大。玻璃熔制过程中熔体颜色随二氧化钛含量增加而逐渐变红，含量超过8%而逐渐变蓝，超过12%出现蓝灰色析晶层[7]。所生产的超低膨胀石英玻璃在膨胀系数及尺寸等关键指标上达到国际水平，成功填补国内空白。

图1 蜂窝结构低膨胀石英玻璃Fig.1 Low expansion quartz glass with honeycomb structure

图2 哈勃太空望远镜主镜坯Fig.2 Hubble Space Telescope primary mirror blank

2.2 微晶玻璃

微晶玻璃是锂铝硅系玻璃为主，经过受控晶化处理，使玻璃体内析出含锂铝硅酸盐的β-SiO2固溶体微小晶体。析出固溶体的负热膨胀特性，与微晶玻璃自身的正膨胀系数相结合，经设计可使得微晶玻璃近乎达到零膨胀[8]。微晶玻璃比低膨胀石英玻璃更易加工。陆基望远镜大量使用了微晶玻璃，如坐落于中国天文台兴隆观测站的LAMOST巡天望远镜，其由一块反射校正镜和一个直径6.3m的球面主镜组成，该主镜就是由37个1.1m六角形微晶玻璃镜坯单元拼接而成，如图3所示。肖特公司在4.2m口径内的各种微晶材料可以进行常规生产[9]。在国内，微晶玻璃在建筑、电子、化工等领域已经进行得到研究与应用，但在空间反射镜方面，国内只有两家机构实现了超低膨胀微晶玻璃的生产，且玻璃种存在气泡较多，与国外差距很大。北京中材人工晶体研究院有限公司经过科技攻关，突破了微晶玻璃的大量关键生产技术，实现600mm口径微晶玻璃小批量生产，性能达到国际领先水平，打破国外垄断，满足了国内军工国防配套领域的急需[10]。

图3 中国天文台LAMOST巡天望远镜主镜Fig.3 The main mirror of LAMOST

2.3 碳化硅

SiC具有弹性模量较高、导热系数及比刚度高、热变形系数低等优良性能。因制造工艺不同，碳化硅的性能会有很大的差异，可分为普通烧结碳化硅、热（等静）压烧结碳化硅（HP-SiC）、反应烧结碳化硅（RB-SiC）、化学气相沉积碳化硅（CVD-SiC）等。采用化学气相沉积方法是通过沉积热解在表面生成β-SiC涂层，其涂层完全致密化，同时具有很高的纯度、优良的热导率、高比刚度及优异的可抛光性能[11]。反应烧结碳化硅具有生产效率高、成本低、可以生产复杂且精度极高的零件等优点。欧洲航天局空间项目赫谢尔远红外线望远镜应用了SiC反射镜技术，如图4，其口径3.5m碳化硅主镜是目前空间望远镜单体主镜之最。国内中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所、哈尔滨工业大学以及国防科技大学等都进行着SiC反射镜应用技术研究工作，其中长春光学精密机械与物理研究所已制备出符合工程应用需要的4m口径碳化硅基底材料[12]。

图4 赫谢尔望远镜3.5m口径SiC主镜Fig.4 SiC primary mirror with 3.5m diameter in Herschel’ telescope

2.4 铍与铍铝合金

金属铍作为一种空间反射镜材料具有多种优势，例如密度为1.85，是前述材料中密度最小的。铍为金属材料，弹性模量较大，可进行轻量化加工进一步减轻重量。铍材料具有尺寸稳定性高、热性能好等优点。铍反射镜的装调可靠性较高，更适合用于有效载荷运动机构中的扫描镜、指向镜等。铍主要采用热等压工艺（HIP）、冷等压工艺（CIP）和金属铍粉末的冷压成型等[13]。同时，铍的氧化物BeO比铍金属易脆，对抛光后性能产生影响，因此需要在其基体结合致密的镀层以弥补直接抛光后性能的缺失，同时也要求镀层材料与铍金属在热膨胀系数与结合力相匹配[14]。铍铝合金作为光电系统的支撑结构，能满足轻质量与高刚度的要求，其高热导率和低膨胀系数有利于视轴的热稳定并能和铍反射镜进行很好配合。目前发达国家已成功将金属铍材料应用于大口径反射镜的研发，美国低温空间望远镜JWST（James Webb Space Telescope）[15]的口径6.5m主镜由18 块1.5m正六边形非球面反射镜拼接而成，如图5所示，其1.5m正六边形铍反射镜是目前口径最大单体铍反射镜，代表了世界最高水平。在国内，中国科学院上海技术物理研究所研制的扫描铍反射镜用于风云系列气象卫星。中国建筑材料科学研究总院有限公司研制的口径为450mm铍表面玻璃化反射镜成功应用在中巴地球资源1号04星上。

图5 美国低温空间望远镜JWST主镜Fig.5 Primary mirror in JWST

2.5 新型复合材料

2.5.1 C/SiC复合材料

C/SiC复合材料与传统SiC陶瓷材料相比，密度更低，且脆性得到明显改善。德国最早开发了C/SiC材料用于轻型光学反射镜的制作[16]，目前可以制作出3m尺寸的大型反射镜，用于开发NGST的大尺寸C/SiC反射镜[17]。此外，美国、日本、加拿大通过对C/SiC复合材料性能的不断改善，用于开发大尺寸天文望远镜。国内对C/SiC复合材料进行研究的机构很多，对C/SiC复合材料的设计和性能开发都具有一定的基础，但将C/SiC复合材料应用于反射镜材料领域还较少[18]。

2.5.2 碳纤维增强树脂基复合材料

CFRP热稳定性好，热膨胀系数低，弹性模量低，成本低，且密度小，这使其在未来大口径轻质反射镜的研发上具有较大优势[19]。英国、法国以及美国在多个项目上成功开发出CFRP反射镜[20]。从国内看来，CFRP反射镜还处于实验阶段，很多技术还不能满足光学镜面的要求。

2.5.3 C/C复合材料

C/C复合材料即C纤维增强C基体复合材料，完全由C元素组成。由于基体不含树脂，不会出现吸湿膨胀的问题；同时，C元素的稳定性使这种材料能发挥更强的抗腐蚀能力[21]。美国最早开展对C/C复合材料反射镜的研发，其采用C/C复合材料表面的SiC涂层向SiO2转变后对玻璃层的粘结，制备反射层[22]。也有学者以C/C复合材料为基底层，表面反射层以多种金属层结构来制备反射镜，但这种结构较复杂，易出现双金属层效应导致涂层变形[23]。目前，我国还处于C/C新型材料反射镜研究的空白阶段。

3 总结

空间光学系统中，反射镜的发展趋势是大尺寸、轻量化、高精度，在材料选择上，不同的工作环境对反射镜材料的需求不同，没有一种材料同时满足所有需求，关键是如何选用与系统质量要求相适应的反射镜材料。基于国外的发展情况，建议中国对低膨胀石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅和铍金属材料进行系统研究，尤其在大口径镜坯的制造技术进行深入研究，以攻克大口径轻量化反射镜的制造技术、光学加工技术和高精度检测等技术。由于碳纤维复合材料优异的性能及可设计性，尤其符合未来大口径轻量化的发展趋势，因此应加强该领域的研究，避免错失追赶国际水平的机遇。