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鄒小姐：13326633089 -
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“登高望遠”是從古至今都很常用的一個成語，直譯就是登上高處，看得更遠。不過在21世紀的今天，人類的眼界早已越過高山，直達宇宙。因此，對地觀測、深空探測等領域迅速發展了起來。
要望那么遠，就離不開遠距離多光譜光學系統，其中“大尺寸光學反射鏡”會起到不可或缺的作用，在國防應用、監控和監測以及部分商業應用都能看到它的身影。例如，大尺寸光學反射鏡最常見的應用是航空航天行業，常用于衛星和望遠鏡。另外大尺寸光學反射鏡也可以集成到飛行器的光學系統中，如大型無人機系統。最后，利用紅外線對農田溫度進行遠距離空中監測也是一項有趣的商業應用。
一、光學反射鏡的制備要求
之所以要用到大尺寸光學反射鏡，是因為增加光學反射鏡坯的口徑是有效增加光電成像系統分辨率及探測能力的重要方法之一。然而，光電載荷對于重量有嚴格限制，此外，用材必須能確保系統可在復雜的環境下正常工作。
因此，對于大口徑光學反射鏡而言，其材料的選擇與制備都必須滿足極為嚴苛的要求。具體如下：
①選擇低密度輕量化材料，其一方面能夠滿足空間遙感相機對載荷提出的低重量要求，可以減少衛星發射成本，另一方面可以減輕地基望遠鏡由于自重引起的鏡面變形。
②具備高比剛度及優異的綜合力學性能。高比剛度能夠避免反射鏡自重、裝配應力及衛星發射段的沖擊振動等對鏡面造成的影響，同時高的斷裂韌性也有利于實現光機功能一體化，減少由于支撐部件與反射鏡材料性能不匹配造成的應力積聚。
③具有良好的熱穩定性。空間相機及地基望遠鏡的服役溫度環境惡劣，材料的導熱性能好、熱膨脹系數低，能減少反射鏡熱畸變，保證光電成像系統的成像質量。
④耐空間粒子輻照，可延長空間反射鏡材料的使用壽命。
⑤材料的加工及制備成本低。
二、反射鏡材料的選擇
目前，反射鏡材料主要包括玻璃材料、低膨脹金屬材料、陶瓷材料以及復合材料等。
1、玻璃材料
玻璃材料是第一代反射鏡材料，常用的有ULE和ZEROUR等。玻璃材料的熱膨脹系數很低，且光學加工性能優良，但玻璃材料的熱導率低，比剛度較差。其中，ULE（零膨脹玻璃）是一款-硅酸鹽玻璃，它在極端溫度變化下幾乎沒有任何尺寸變化，具有優異的熱穩定性能，并且能夠通過高溫熔接、封接等工藝制成封閉式結構，極大地彌補了材料力學性能的差距，這是其他三種材料所不具備的。因此，憑借卓越的穩定性成為了很多天文學應用的首選材料。
由康寧公司的7941 ULE零膨脹玻璃高溫熔接而成的HST主反射鏡
康寧生產哈勃望遠鏡時就采用ULE玻璃制成的輕量化反射鏡，為南北雙子（Gemini）和昴星團望遠鏡（Subaru）生產了8米級單片反射鏡，并參與了其他具有重大歷史意義的研究項目。由于ULE玻璃優異的穩定性，哈勃望遠鏡捕捉到了迄今為止最遠的宇宙視圖，讓科學家觀察到超過130億光年距離的景象。
美國SNAP（SuperNova Acceleration Probe）空間望遠鏡在鏡體材料選擇階段，也曾對ULE、Zerodur、SiC三種材料進行對比分析，并最終根據力、熱性能的比較結果確定了ULE蜂窩夾芯結構的主鏡設計方案。
2、金屬材料
第二代反射鏡材料是低膨脹金屬材料，主要包括Al和Be等，一般通過鍛造方式獲得。的導熱性能優良，但熱膨脹系數相對較大，其面形精度容易受溫度影響。同時Al的比剛度低，而金屬Be雖然比剛度較高但有毒，對人體會產生致命損害，因此，在生產過程中需要有嚴格的安全措施。但是金屬材料具有加工工藝性好、材料價格低等優勢，因此也逐漸獲得應用。
金屬鈹反射鏡
值得一提的是，由于傳統機械加工方式的限制，金屬反射鏡很難同時滿足輕質和高剛度的需求，因此基于增材制造的金屬反射鏡技術應運而生，若應用拓撲優化思想，那在理論上就能獲得增材制造金屬反射鏡的最優結構形式與面形精度。
但是增材制造金屬反射鏡由于加工設備和工藝的限制，無法制備大口徑反射鏡，同時，其比剛度也弱于碳化硅材料，因此在大口徑反射鏡的設計與制備上不具備優勢。
3、碳化硅材料
材料屬于第三代反射鏡材料，該材料化學穩定性好、耐空間粒子輻照性能優異、熱膨脹系數低、彈性模量高，且具有較好的導熱性能，表面改性后面形精度可以達到可見光級精度要求，因此是航空航天領域中最常用的反射鏡材料。
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。
4米量級碳化硅反射鏡
但是碳化硅反射鏡，從鏡坯成形，到最終的表面改性、拋光，其加工工藝路線繁瑣，加工周期較長，很難滿足快速性的要求，同時成本較高。
4、纖維增強碳化硅復合材料
碳化硅是陶瓷材料，是陶瓷材料就難逃“脆性”這一發展瓶頸。同時，碳化硅材料的莫氏硬度很高，導致材料加工難度大、成本高。為進一步提高反射鏡材料的輕量化程度，解決陶瓷材料脆性大的問題，纖維增強碳化硅復合材料應運而生。如此一來，纖維的引入就能夠有效延長裂紋擴展路徑、降低碳化硅陶瓷基體對裂紋的敏感性、提高材料的斷裂韌性，同時密度也更低。
纖維的種類、長度、體積分數、編織方式都會影響復合材料的性能。目前用于纖維增強碳化硅復合材料的纖維主要有碳纖維和碳化硅纖維。
①碳纖維增強碳化硅復合材料的制備成本較低，國外纖維增強碳化硅反射鏡發展較早，目前的制備工藝較為成熟。德國、日本、美國等國家已將C/SiC復合材料成功應用于光電成像系統，且反射鏡背板的壁厚最低能夠達到1 mm左右。
德國ECM公司商用化的Cesic®材料，以無序短切碳纖維氈為增強相，通過浸漬酚醛樹脂、碳化、石墨化、滲硅反應燒結等工序得到近凈尺寸成型的致密C/SiC反射鏡坯。針對大口徑及復雜形狀反射鏡坯，可利用粘接工藝將C/C素坯相連接（如下圖所示），隨后進行滲硅反應燒結。碳化的酚醛樹脂與液相硅反應生成的碳化硅，可確保界面連接處與基體的組分基本一致。采用碳化硅漿料涂敷技術對反射鏡坯表面進行處理，可使通過后續加工的反射鏡具有符合要求的表面粗糙度。
六部分連接組成的鏡坯
②碳化硅纖維增強碳化硅復合材料具有更高的抗彎強度及彈性模量，同時可以顯著提高材料的耐高溫和抗高溫氧化性能。美國MER公司采用SiC纖維制備出的SiC-SiC復合材料的斷裂韌性高達20 MPa/m1/2，彈性模量達300 GPa，如下圖所示。該反射鏡的面密度低至6 kg/m2，表面粗糙度優于1 nm。
但在國內，碳化硅纖維增強碳化硅復合材料商業化生產尚不成熟，成本較高，且碳化硅纖維較脆，編織困難，這也成為目前限制其工業化發展的重要因素。
資料來源：
纖維增強碳化硅及其在光學反射鏡中的應用，張巍，張舸，郭聰慧，范天揚，徐傳享。
超大口徑反射鏡技術的研究進展，張博文，郭崇嶺，劉紅，程云濤，付強強。
增材制造金屬反射鏡的發展綜述，譚淞年，丁亞林，許永森，劉偉毅。
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