CN101470223A - 表面改性技术加工RB-SiC超光滑表面反射镜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加工具有微孔的RB－SiC表面加工及处理方法，在RB－SiC基底采用表面沉积或能流注入方法产生致密化的加工层；然后对致密化的加工层进行常规精抛光加工，再采用纳米抛光方法对加工层进行抛光。本发明将表面改性技术和光学机械加工相结合，其针对RB－SiC存在的微孔缺陷，利用表面改性技术使得待加工RB－SiC基底表面致密化，然后再进行光学二次加工，以实现RB－SiC基底表面的粗糙度小于1nm(rms)水平。因此本发明为以具有微孔材料为基底的超光滑表面加工提供了行之有效的方法。
Description
技术领域
本发明设计一种RB-SiC超光滑表面的加工方法，用于光学加工领域的RB-SiC反射镜的光学加工技术。
背景技术
碳化硅是20世纪70年代发展起来的新型光学材料。由于碳化硅具有较高的弹性模量，适中的密度，较小的热膨胀系数，较高的导热系数和耐热冲击性，因此世界上各航天大国的研究者均将其列为空间光学遥感器优选的反射镜材料。SiC陶瓷因制备工艺的不同可分为若干种，常用于反射镜的有热压烧结SiC(HP-SiC)、反应烧结SiC(RB-SiC)、常压烧结SiC(SinteredSiC，SSiC)和化学汽相沉积SiC(CVD-SiC)。HP-SiC和CVD-SiC不易制备复杂形状的反射镜镜体；SSiC的制备工艺复杂，烧结收缩率大，一般达到了10％-15％，且所需设备十分昂贵；而反应烧结工艺能够制备大尺寸、复杂形状的SiC陶瓷制品，制备温度低、烧结时间短、制作成本低、所得SiC烧结体结构几乎完全致密，但与CVD-SiC相比较，其机体还存在微米级的微孔和空隙，这使得RB-SiC光学基底材料进行光学抛光难以达到1nm以下的表面粗糙度。
发明内容
为解决RB-SiC材料内部存在微孔，难于加工成超光滑表面的问题。由于实际中只是需要加工表面的超光滑，因此只需要将表面制作成十分致密的致密层，并将其抛光，达到所需要的表面粗糙度和面形，即可以满足一些工业上的应用。基于此思想，本发明采取表面改性的加工方法对RB-SiC机体表面进行重整或修饰，使得机体表面形成一个几微米到百微米的致密层，并且有利于光学再加工及处理。
为实现上述目的，本发明的表面改性方案为：
将表面改性技术和光学加工技术结合起来，针对基底材料存在的微孔问题，以及器件对于表面的独特要求，直接针对表面问题进行表面改性处理。表面改性的具体方法有两种：一种是在基底表面沉积可以进行光学机械加工的致密层，以在该层上实现光学加工的超光滑表面。另一种是采用瞬态能流在RB-SiC表面自产生致密化的加工层，以进行光学二次加工实现超光滑表面。
1)在对RB-SiC基底表面进行致密化的表面改性前，首先采用常规光学加工方法对RB-SiC基底进行研磨抛光，加工成所需要的面形和尽可能高的表面光洁度；
2)然后将在RB-SiC基底采用表面沉积或能流注入方法产生一层致密化的加工层；
在RB-SiC表面上沉积加工层的方法：所述沉积的光学二次加工层，不受沉积条件和方法的限制，可采用物理的方法也可以采用化学的方法，可采用电镀、离子镀、蒸发镀、电弧离子镀、电子束蒸镀、离子溅射、磁控溅射或化学气相沉积等方法沉积，制作方法丰富，但需要沉积无空洞缺陷的、致密的光学加工层(即要求该加工层一定要致密没有空洞，这主要受到具体工艺、加工条件的限制)。所沉积的光学二次加工层的厚度2-200微米。沉积的光学二次加工层的材料为Si、Ni、SiO2、SiC、Zr、Ge、Cr、ZrN、CrN、Cu、Fe或Zn等，有利于光学二次加工。
采用瞬态能流在RB-SiC表面自产生致密化的加工层：例如：强激光束照射RB-SiC基底表面、电子束能流轰击作用等，使得表面微区空洞析出，形成致密的表层；瞬态能流密度在1000-5000J/cm2，重复作用2-5脉冲；所述瞬态能流进行表面改性处理需要将RB-SiC基底材料放在真空室内进行，真空室压力低于10-2Pa；瞬态能流受能流设备能量的限制，需要采用扫描的方法对大尺寸的RB-SiC基底进行处理。
这两种方法均能使得RB-SiC表面加工的粗糙度达到1nm(rms)以下。
3)最后对致密化的加工层再进行常规光学的二次加工，对RB-SiC基底进行研磨抛光。
本发明不仅适用于RB-SiC的超光滑表面加工，同时适用于其它类型具有微孔结构基底；本发明是一种表面改性技术和光学机械加工相结合的加工方法，其针对RB-SiC存在的微孔缺陷，利用表面改性技术使得待加工RB-SiC基底表面致密化，然后再进行光学二次加工，以实现RB-SiC基底表面的粗糙度小于1nm(rms)水平。因此本发明为以具有微孔材料为基底的超光滑表面加工提供了行之有效的方法。
具体实施方式
实施例1
1)首先对RB-SiC基底进行常规光学加工。采用碳化硼和金刚金刚石微粒进行加工，先使用粒度为W60、W40、W28、W20的碳化硼微粉碱性水溶液(PH＝7.5-8.5)进行粗磨加工，要注意面形的控制，再使用W10、W5、W3.5的碳化硼微粉碱性水溶液(PH＝7.5-8.5)进行细磨加工，使得面形和所需面形基本一致；然后采用沥青磨盘，W4、W2的稀释的金刚石研磨膏碱性水溶液(PH＝7.5-8.5)进行粗抛光，最后采用W1.5、W1稀释的金刚石研磨膏碱性水溶液进行精抛光，需要达到所需面形精度，而表面粗糙度加工到2-6nm(rms)。
2)采用磁控溅射方法在加工表面上沉积Si，基片上偏压在-200V左右，沉积2-30微米的Si；沉积Si的方法有多种多样，如：化学反应气相沉积、电弧离子镀、电子束蒸镀等物理沉积方法均适用。同时还可以采用不同沉积物质如：Ni、SiO2、SiC、Zr、Ge、ZrN、CrN或Cr等。
3)然后进行光学加工，由于磁控溅射沉积的薄膜致密，应力较大，通常都会带来一定面形改变，需经光学二次加工一方面提高表面粗糙度，另一方面修正面形。一般这种方法加工的RB-SiC基底表面粗糙度能够达到1nm(rms)以下。具体采用的加工采用W1.5、W1氧化铈微粉碱性水溶液(PH＝7.5-8.5)进行精抛光，一般在1小时左右，最后采用粒径20纳米氧化铈进行最后的抛光，一般进行时间不超过1小时，RB-SiC基底表面粗糙度能够达到1nm(rms)以下。
实施例2
1)首先对RB-SiC基底进行光学加工。加工方法同方案1的初次光学加工方法相同。
2)采用磁控溅射方法在加工表面上沉积一层致密的导电铜，然后采用电镀工艺沉积致密的金属镍，沉积2-200微米；这种方法的可加工层可以制作得较厚，有利于光学机械的加工。所镀镍层的致密性取决于电镀工艺，而金属镍的光学机械工艺对最终的加工结果影响也较大。这种化学电镀的方法也可以沉积气体物质，如：Zr、Zn、Cu或Fe等。
3)然后进行光学二次加工。在二次光学加工中可以采用如下方法：先采用沥青磨盘，W1.5、W1的刚玉粉碱性水溶液(PH＝7.5-8.5)进行精抛光，再采用粒径20纳米刚玉粉进行最后的抛光，RB-SiC基底表面粗糙度能够达到1nm(rms)以下。
实施例3
1)首先将RB-SiC基底进行光学加工。加工方法同方案1的初次光学加工方法相同。
2)将RB-SiC基底放入到真空室(小于10-2Pa)，真空室留有石英窗口，窗口镀有增透膜，由窗口将脉冲激光引入到真空室中，激光脉冲功率密度1000-5000J/cm2左右，重复作用2-5脉冲，可以间隔30-60分钟，再次重新注入能量进行表面处理。使得表面层微孔中的气体排出来，在高能流的作用下使得表面层晶粒长大、团聚，以形成1-100微米的致密层。这种方法对激光的能量要求较高，对于大尺度的光学元件，需要激光进行扫描式表面处理，处理方法比较复杂。同时这种方法可以采用高能电子束作为能流源代替。
3)处理后，再进行光学二次加工，采用W1.5、W1稀释的金刚石研磨膏碱性水溶液(PH＝7.5-8.5)进行精抛光，最后采用粒径20纳米刚玉粉进行最后的抛光，RB-SiC基底表面粗糙度能够达到1nm(rms)以下。
综上所述，表面改性技术加工RB-SiC是实现RB-SiC超光滑表面的有效方法，能够使RB-SiC基底经过加工达到表面粗糙度1nm(rms)水平。这是目前具有微孔结构的RB-SiC进行直接光学加工所无法实现的。所以本发明具有重要的应用前景。同时本发明适用于其他类似具有微孔结构基底材料的超光滑表面加工。
Claims (8)
1.表面改性技术加工RB-SiC超光滑表面反射镜方法，其特征在于：
在RB-SiC基底采用表面沉积或能流注入方法产生致密化的加工层；
然后对致密化的加工层进行常规精抛光加工，再采用纳米抛光方法对加工层进行抛光。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在对RB-SiC基底表面进行致密化的表面改性前，首先采用常规光学加工方法对RB-SiC基底进行研磨抛光。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述沉积方法为电镀、离子镀、蒸发镀、电弧离子镀、电子束蒸镀、离子溅射、磁控溅射或化学气相沉积；所沉积的光学二次加工层的厚度2-200微米。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：所述沉积的光学二次加工层的材料为Si、Ni、SiO2、SiC、Zr、Ge、Cr、ZrN、CrN、Cu、Fe或Zn。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述表面能流注入方法使用的瞬态能流为高能激光和电子束。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于：所述瞬态能流密度在1000-5000J/cm2，重复作用2-5脉冲；致密层厚度1-100微米。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于：所述瞬态能流进行表面改性处理需要将RB-SiC基底材料放在真空室内进行，真空室压力低于10-2Pa。
8.根据权利要求5所述方法，其特征在于：所述瞬态能流受能流设备能量的限制，需要采用扫描的方法对大尺寸的RB-SiC基底进行处理。
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