CN101315436A - 超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法 - Google Patents
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Abstract
超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法及应用，现有的技术中为了获得足够的比刚度，传统光学材料如光学玻璃等在制造大尺寸光学元件时会导致重量的急剧增加，并且成像质量急剧下降，以光学玻璃等为代表的传统光学材料已经不适用于空间光学发展的要求，因此需要产品替代传统光学材料。该方法组成包括：优化设计反射镜的外形及尺寸，将超大尺寸的反射镜分割为小尺寸的毛坯图，通过计算机和数控加工设备制造模具、制备浆料，浇注，并用反应烧结法制造毛坯、对毛坯加工并采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起、修整。本发明用于制作超大尺寸的碳化硅空间反射镜坯体。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超大尺寸空间反射镜坯体的制造方法。
背景技术：
现有的以宽波段适应性、高轻量化和高准确度接收为目标的未来空间光学***需要超大尺寸的光学元件，为了获得足够的刚度，传统光学材料如光学玻璃等在制造大尺寸光学元件时会导致重量的急剧增加，并且成像质量急剧下降，以光学玻璃等为代表的传统光学材料已经不适用于空间光学发展的要求，因此需要产品替代传统光学材料。
发明内容：
本发明的目的是提供一种成本低、效率高的反应烧结和钎焊相结合的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体制造方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其组成包括：优化设计反射镜的外形及尺寸，其特征是：将超大尺寸的反射镜分割为小尺寸的毛坯图，通过计算机和数控加工设备制造模具、制备浆料，浇注，并用反应烧结法制造毛坯、对毛坯加工并采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起、修整。
所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，所述的分割为根据确定的反射镜的形状及尺寸，将反射镜尽量以对称的方式进行分割，分割为平面分割，每个部件含有相同的形状的组成部分。
所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，所述的制造模具过程中，使用优质的石膏粉与水以3∶2的比例混合均匀来铸造模具。
所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，所述的制备浆料并用反应烧结法制造毛坯是将碳化硅、碳粉、稳定剂、水，按比例进行配制：固体部分占总重量的2/3，碳粉占固体部分的5～10％，碳化硅粉占固体部分的90～95％，稳定剂占0.4～1.1％，其余部分为纯净水，其中，碳化硅粉由粒径分别为5～10μm和40～60μm的粉末按1∶1的比例混合，并将其混合后放置到专用的大型搅拌机中进行24小时的连续同方向的搅拌，并在搅拌过程中调整料浆的粘度；一组工作人员同时将浆料浇注到模具内，每人浇注速度在10mL/sec以内，脱模后形成素坯，然后对素坯进行烘干和修整；将相当于素坯重量的10～30％的硅粉均匀地堆放在素坯表面，然后将它们一起转入反应烧结炉内，按碳化硅反应烧结法成毛坯。
所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的对毛坯加工是对毛坯的底面、反射面及两侧需要钎焊的面进行机械加工，其中加工毛坯的侧面，不仅要去除在设计时的加厚部分，而且要将侧面的表面平面度低于0.1mm，另外还要对侧面进行清洗和脱脂处理，将钎料堆焊在焊接面中间的缝隙中，采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起，即将温度升高到900℃，保温30分钟后冷却。
一种碳化硅材料在空间反射镜坯体分割制造方面的应用。
这个技术方案有以下有益效果：
1.针对现有技术中存在的问题，碳化硅材料的选择无疑是所有候选光学材料中最具竞争力的。它的密度比铍、石英、单(多)晶硅的密度大，属于轻质材料；比刚度仅次于铍，而优于其它材料，硬度仅次于金刚石和立方氮化硼； 碳化硅具有良好的热传导性，它的导热率与铝合金接近，当环境温度变化时，内部很容易达到温度平衡，不会引起很大的内应力；其线膨胀系数比铝的小10倍，当温度变化的时候，具有较好的尺寸稳定性，因此用它制造的光学***能在宽温度范围内工作，环境适应能力强；低热膨胀系数、高热传导使其具有最小的热变形系数，因此在较大温差条件下，抗热震性极佳，在较大的温度范围内使用，即使大面积镜面也不易变形，并且寿命长，这一点对于太空条件下使用的材料尤其重要。碳化硅的低热膨胀、高强和尺寸稳定性使其成为各种高性能、特殊环境应用镜片的理想材料。
在制造大尺寸空间反射用碳化硅镜片过程中，反应烧结方法在常用的制造碳化硅镜片的三种方法中体现出了明显优势。首先反应烧结方法制造的碳化硅材料制造成本较低，而最重要的是反应烧结方法的尺寸设计和形状设计具有非常高的灵活性，除了可降低镜片重量获得轻量化而坚固的结构外，还能够通过焊接等方法获得超大的尺寸，这是其他两种常用的碳化硅制造方法所不具备的。
制备碳化硅的方法主要有三种：热(等静)压法、化学气相沉积法和反应烧结法。在这三种制备方法中，最适合制作形状复杂且成本低廉的是反应烧结法。由于随着反应烧结碳化硅反射镜面积的增大，其成品合格率会随之降低。当反射镜直径大于1m以后，其成品合格率约为10％左右。本发明将直径大于1m以上的反应烧结碳化硅反射镜的合格率提高到30％以上，使大尺寸反射镜的制备成本大大降低。故本发明无论在科学技术领域还是在生产领域内都具有很高的推广价值。
2.按照本发明制备了尺寸为Φ1200×50mm的碳化硅反射镜，其加强筋的尺寸为5mm。根据其服役条件对其性能进行了模拟，发现其各项性能均满足设计要求；
3.本发明的方法中的浇注速度在每人10mL/sec以内，可以减小浇注时料浆对模具的冲刷，减少变形误差。
4.本发明的机械加工过程除了要去除在设计时的加厚部分外，因为要为焊料预留0.05mm左右的缝隙，而且要将侧面的表面平面度低于0.1mm rms。另外还对侧面进行了严格地清洗和脱脂处理，尽最大可能去除附着在表面的杂物，以有利于钎焊质量的提高。
5.本发明的方法在焊接时，将已经加工完成了毛坯对接到一起，使它们的侧面之间留出0.1mm的距离。在这些缝隙中均匀地填入钎料后，将温度升高至990℃，保温30分钟，使钎料与反射镜之间能充分润湿，最大程度地提高了钎焊效果，保证了加工出产品的质量。
6.本方法利用碳化硅加工的产品不但保证了产品的比刚度，大幅度的降低了成本，提高了加工效率，特别重要和令人鼓舞的事它还大幅度的减轻了空间物体的重量，提高了成像质量，对于超大尺寸的空间反射镜坯体制造方面再来了实质性的重大突破。
7、本发明可以大大提高大尺寸反应烧结碳化硅反射镜的成品合格率。由于在制备反应烧结碳化硅反射镜时，成品合格率随着其尺寸的增大而下降。将反射镜分割成小面积部件，即使其中一件部件出现不合格现象，也不会影响到其他的部件，因此会提高其成品合格率；
8、降低制备反射镜成本。如果将直径大于1200mm的碳化硅反射镜直接烧结，则需要有直径至少为1400mm的反应烧结炉，而现有的可以烧结直径为800mm的反应烧结炉则无法满足其需要。如果按常规的做法，只能是花大笔经费购买更大的设备。而将其分割为小部件后，则可以利用现有的反应烧结炉制备出面积更大的反射镜坯体，为国家节约大量的设备方面的经费；
9、降低了在尺寸反应烧结碳化硅反射镜的制备难度。由于随着反射镜面积的增大，其制备难度也随之急剧增大，而且还需要有专用的设备才能进行加工，在现有的备件下很难保证其加工精度。将大尺寸反应烧结碳化硅反射镜分割为小尺寸的部件后，其加工难度相应降低。因为将面积减小后，由加工造成的累计误差会因被限制在一个相对小的面积内而变小，而不会造成与其他部件中的误差相互叠加的现象，从而降低了加工方面的难度。
附图说明：
附图1是本产品的结构示意图。
本发明的具体实施方式：
实施例1：
超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其组成包括：优化设计反射镜的外形及尺寸，将超大尺寸的反射镜分割为小尺寸的毛坯图，通过计算机和数控加工设备制造模具、制备浆料，浇注，并用反应烧结法制造毛坯、对毛坯加工并采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起、修整。
实施例2：
实施例1中所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，所述的分割为根据确定的反射镜的形状及尺寸，将反射镜尽量以对称的方式进行分割，分割为平面分割，每个部件中尽可能含有比较多的相同的形状要素或者组成部分。
实施例3：
实施例1中所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，所述的制造模具过程中，使用优质的石膏粉与水以3∶2的比例混合均匀来铸造模具。
实施例4：
以上实施例中所述的制备浆料并用反应烧结法制造毛坯是将碳化硅、碳粉、稳定剂、水，按比例进行配制：固体部分占总重量的2/3，碳粉占固体部分的5～10％，碳化硅粉占固体部分的90～95％，稳定剂占0.4～1.1％，其余部分为纯净水，其中，碳化硅粉由粒径分别为5～10μm和40～60μm的粉末按1∶1的比例混合，并将其混合后放置到专用的大型搅拌机中进行24小时的连续同方向的搅拌，并在搅拌过程中调整料浆的粘度；由一组工作人员通过多个浇口同时将浆料浇注到模具内，每人浇注速度在10mL/sec以内，脱模后形成素坯，然后对素坯进行烘干和修整；将相当于素坯重量的10～30％的硅粉均匀地堆放在素坯表面，然后将它们一起转入反应烧结炉内，按碳化硅反应烧结法成毛坯。
实施例5：
以上实施例中所述的对毛坯加工是对毛坯的底面、反射面及两侧需要钎焊的面进行机械加工，其中加工毛坯的侧面，不仅要去除在设计时的加厚部分，而且要将侧面的表面平面度低于0.1mm rms，另外还要对侧面进行清洗和脱脂处理，将钎料堆焊在焊接面中间的缝隙中，采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起，即将温度升高到900℃，保温30分钟后冷却。
实施例6：
本发明例中制备了尺寸为Φ1200×50mm的碳化硅反射镜，其加强筋的尺寸为5mm。根据其服役条件对其性能进行了模拟，发现其各项性能均满足设计要求；
对已经设计好找图纸进行了分割，最终形成了如附图所示的形状：其圆心角为60°。为了使其在后续的加工过程中容易被加工到理想的水平，在本实施例中我们将此部件的两侧各添加了1mm的加工余量，使侧面的厚度变为3.5mm；
模具的制备分为两部分：1.将分割后的部件输入到计算机中，形成三维模型，并使用数控加工设备制备出设计的部件模型，2.使用优质的石膏粉与水以3∶2的比例混合均匀，按照铸造模具的制备方法制备出模具。在本例中，为了浇注出缺陷更少的素坯，在模具上设置了5个浇注口；
在本实施例中使用了碳化硅粉：粘合剂：水按比例配制：其中固体部分占总重量的2/3，碳粉占固体部分的5～10％，碳化硅粉占固体部分的90～95％，稳定剂占0.4～1.1％，其余部分为纯净水，将其混合后放置到专用的大型搅拌机中进行了24小时的连续同方向的搅拌，并在搅拌过程中对粘度进行调整，主要通过以添加去离子水以补充在搅拌过程中损失的水的方式来调整料浆的粘度；
当石膏模具干透后便可进行素坯的浇注。在本实例中，由于模具比较厚，因此干燥时间为48小时。在浇注时由5个人同时进行浇注，浇注速度在每人10mL/sec以内，目的是减小浇注时料浆对模具的冲刷；在每个浇口都有料浆溢出后便停止浇注，并将整个模具转移至专门用来干燥浇注件的地方。根据对吸水过程的模拟计算，在浇注后12小时便可起模。
将素坯从模具中取出后，对其各个尺寸进行了检测，对实际尺寸小于设计尺寸的进行了加补，实际尺寸大于设计尺寸的进行了修减。由于在整个素坯的修整过程中使用了料浆，因此需要将其放入烘干箱中，在60℃的条件下进行烘干，时间为1小时；
将素坯背面向下放置在反应烧结炉的石墨板上，并将相当于素坯重量25％的硅粉均匀地铺在素坯表面，然后将其送入反应烧结炉中，按碳化硅反应烧结法进行烧结；
当毛坯制备完成后，需要对其进行机械加工，如对反射面、底面及侧面进行加工，以使后续的工作能顺利进行。在本例中首先加工了毛坯的底面(即有加强筋的那面)进行了粗加工，每一个加强筋都能被加工到即可停止加工。第二步加工毛坯的正面，也就是没有加强筋的那面，使在正面都能被加工到；第三步是加工毛坯的侧面，这也是关键的一步：不仅要去除在设计时的加厚部分外(因为要为焊料预留0.05mm左右的缝隙)，而且要将侧面的表面平面度低于0.1mm。另外还要对侧面进行了严格地清洗和脱脂处理，尽最大可能去除附着在表面的杂物，以有利于钎焊质量的提高；
使用的钎料是BNi76CrP。在焊接时，将6个已经加工完成了毛坯对接到一起，使它们的侧面之间留出0.1mm的距离。在这些缝隙中均匀地填入钎料后，将温度升高至990℃，保温30分钟，使钎料与反射镜之间能充分润湿，最大程度地提高了钎焊效果。
由于在钎焊过程中小部分焊剂会流到焊缝外面，因此需要对这些焊料进行去除。在本例中使用角磨机对这些多余的焊料进行清理。
通过钎焊连接到一起的碳化硅反射镜经过力学性能测试，完全符合设计要求。
Claims (9)
1.一种超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其组成包括：优化设计反射镜的外形及尺寸，其特征是：将超大尺寸的反射镜分割为小尺寸的毛坯图，通过计算机和数控加工设备制造模具、制备浆料，浇注，并用反应烧结法制造毛坯、对毛坯加工并采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起、修整。
2.根据权利要求1所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的分割为根据确定的反射镜的形状及尺寸，将反射镜尽量以对称的方式进行分割，分割为平面分割，每个部件含有相同的形状的组成部分。
3.根据权利要求1或2所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的制造模具过程中，使用优质的石膏粉与水以3∶2的比例混合均匀来铸造模具。
4.根据权利要求1或2所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的制备浆料并用反应烧结法制造毛坯是将碳化硅、碳粉、稳定剂、水，按比例进行配制：固体部分占总重量的2/3，碳粉占固体部分的5～10％，碳化硅粉占固体部分的90～95％，稳定剂占0.4～1.1％，其余部分为纯净水，其中，碳化硅粉由粒径分别为5～10μm和40～60μm的粉末按1∶1的比例混合，并将其混合后放置到专用的大型搅拌机中进行24小时的连续同方向的搅拌，并在搅拌过程中调整料浆的粘度；一组工作人员同时将浆料浇注到模具内，每人浇注速度在每人10mL/sec以内，脱模后形成素坯，然后对素坯进行烘干和修整；将相当于素坯重量的10～30％的硅粉均匀地堆放在素坯表面，然后将它们一起转入反应烧结炉内，按碳化硅反应烧结法成毛坯。
5.根据权利要求3所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的制备浆料并用反应烧结法制造毛坯是将碳化硅、碳粉、稳定剂、水，按比例进行配制：固体部分占总重量的2/3，碳粉占固体部分的5～10％，碳化硅粉占固体部分的90～95％，稳定剂占0.4～1.1％，其余部分为纯净水，其中，碳化硅粉由粒径分别为5～10μm和40～60μm的粉末按1∶1的比例混合，并将其混合后放置到专用的大型搅拌机中进行24小时的连续同方向的搅拌，并在搅拌过程中调整料浆的粘度；一组工作人员同时将浆料浇注到模具内，每人浇注速度在10mL/sec以内，脱模后形成素坯，然后对素坯进行烘干和修整；将相当于素坯重量的10～30％的硅粉均匀地堆放在素坯表面，然后将它们一起转入反应烧结炉内，按碳化硅反应烧结法成毛坯。
6.根据权利要求1或2或5所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的对毛坯加工是对毛坯的底面、反射面及两侧需要钎焊的面进行机械加工，其中加工毛坯的侧面，不仅要去除在设计时的加厚部分，而且要将侧面的表面平面度低于0.1mm，另外还要对侧面进行清洗和脱脂处理，将钎料堆放在焊接面中间的缝隙中，采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起，即将温度升高到900℃，保温30分钟后冷却。
7.根据权利要求3所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的对毛坯加工是对毛坯的底面、反射面及两侧需要钎焊的面进行机械加工，其中加工毛坯的侧面，不仅要去除在设计时的加厚部分，而且要将侧面的表面平面度低于0.1mm，另外还要对侧面进行清洗和脱脂处理，将钎料堆放在焊接面中间的缝隙中，采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起，即将温度升高到900℃，保温30分钟后冷却。
8.根据权利要求4所述的超大尺寸碳化硅空间反射镜坯体的制造方法，其特征是：所述的对毛坯加工是对毛坯的底面、反射面及两侧需要钎焊的面进行机械加工，其中加工毛坯的侧面，不仅要去除在设计时的加厚部分，而且要将侧面的表面平面度低于0.1mm，另外还要对侧面进行清洗和脱脂处理，将钎料堆放在焊接面中间的缝隙中，采用钎焊的方法将各个毛坯连接一起，即将温度升高到900℃，保温30分钟后冷却。
9.一种碳化硅材料在空间反射镜坯体分割制造方面的应用。
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