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鄒小姐：13326633089 -
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400多年前，伽利略發明了第一臺光學望遠鏡，將遙遠的星空拉近到目之所及，同時也開啟了人類利用光學儀器的科學探索之路。
正在建造的歐洲極大望遠鏡，它被譽為“地球望向天空的最大的眼睛”
說到光學望遠鏡，顧名思義，它是利用可見光完成成像的，目前的光學望遠鏡有反射式和折射式兩種，而現代大型的光學望遠鏡系統均采用反射式結構，因為反射式望遠鏡沒有色差的困擾，可實現紫外線到紅外線的大范圍觀測。如果把大型光學望遠鏡比作人類的“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）和熱穩定性(λ/α)，這使得在實現同樣的光學口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡具有更小的重量、更優的熱穩定性。
完美倒映出帥氣面容的4米量級碳化硅反射鏡
有關資料表明，碳化硅質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，且可進一步進行優化。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，中國科學院長春光學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材料的主要物理性質
碳化硅反射鏡的制作難點
隨著技術發展，碳化硅反射鏡的應用領域正在不斷擴大，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，化學穩定性高，很難通過機械力拋光的方法直接獲得高質量的SiC光學鏡面；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加工質量，最終影響鏡面質量。不過令人意外的是，后者的影響其實遠比前者要小。
曾有科學家研究過密度對對光學鏡面加工質量的影響，初步研究結果如下圖所示，在相同加工工藝條件下，碳化硅陶瓷密度對光學鏡面加工質量確實有一定影響。當采用一定粒度的金剛石拋光液對碳化硅陶瓷試樣進行光學鏡面加工時，低密度的碳化硅陶瓷光學鏡面加工后表面粗糙度較高，高密度的碳化硅陶瓷光學鏡面加工后表面粗糙度較低。
碳化硅密度對光學鏡面加工質量的影響
通過光學顯微鏡觀察，碳化硅陶瓷光學鏡面加工后表面缺陷主要表現為氣孔或缺陷，密度較高的碳化硅陶瓷試樣光學鏡面加工后，表面氣孔或缺陷更少，表面質量更好。另外，降低磨粒尺寸有利于表面質量的提高。
如上所述，碳化硅陶瓷密度對光學鏡面加工質量有一定影響，但由圖可知，在一定密度范圍內（3.09～3.13 g·cm3），光學鏡面加工質量差別不大，若進一步改善加工工藝，采用粒度更小的拋光液對碳化硅陶瓷試樣進行光學鏡面加工后，均可得到較好的表面質量。這說明，當碳化硅陶瓷密度達到一定高度時，密度對光學鏡面加工質量的影響可通過光學鏡面加工工藝的優化而減小或消除，即影響碳化硅陶瓷光學鏡面加工質量的主要因素表現為加工工藝參數，而密度對光學鏡面加工質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應用要求，目前常用的解決辦法主要是：對SiC材料進行表面改性，其方式為在SiC鏡體光學表面鍍致密化涂層，然后對涂層進行拋光。
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量的同時實現快速加工，則是材料學界一直以來的研究重點。
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、氣相沉積外，最有應用價值的是反應燒結法，具有成本低和可實現凈尺寸燒結等優點。
反應燒結法流程為：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。整個工藝中關鍵點有以下幾個：①燒結體中盡可能少氣孔和裂紋；③坯體具有輕量化結構。
2.銑磨粗拋
剛燒結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行加工；另一種是研磨法。
用金剛石車床進行粗磨具有速度快的優點，但由于加工過程中產生的應力很大，金剛石刀頭會在光學面上留下較深的劃痕和破壞層。這些劃痕和破壞層為細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，工件光學面面形精度的RMS應低于20μm。
毛坯經初步銑磨后的表面狀態
3.表面改性
由于鏡坯粗磨后其表面粗糙度仍會較高，這種情況必然會產生較強的散射效應，降低光學表面的反射率，使整個光學系統無法實現較高的成像質量。因此，為保證反射鏡在空間光學成像系統的正常運作，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。表面涂層技術是在嚴格的溫度條件下進行的復雜化學物理反應，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合強度；涂層和碳化硅基體的熱膨脹系數要相匹配；涂層具備必要的硬度和抗化學腐蝕性能；不發生涂層再結晶化過程等。目前比較成熟的碳化硅表面致密化涂層技術有化學氣相沉積碳化硅（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
經過表面改性后，有了涂層的SiC反射鏡與之前相比呈現出更少的表面缺陷。不過這還不夠，合格的反射鏡還需要在改性層基礎上進行精拋光，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到95%以上。
這一步驟的拋光技術主要采用反應接觸式光學加工技術和非接觸式光學加工技術，前者包括化學機械拋光、磁流變拋光技術（長春光機所的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。與傳統機械拋光工藝相比，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，表面殘余應力較小，加工效果較好，且無磨具磨損，標準面幾乎無變化，可重復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鏡面加工的研究現狀，劉桂玲，黃政仁，劉學建，董紹明，江東亮。
碳化硅光學鏡面加工，范摘，張忠玉，牛海燕，豐玉琴，張學軍。
碳化硅陶瓷密度對光學鏡面加工質量的影響，劉桂玲，黃政仁，陳健，劉學建，江東亮。
且說“千里眼”的“角膜”，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所。
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