CN102277520A - 铝基材料反射镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于大型光学器件结构安装的铝基材料反射镜及其制备方法，该反射镜以低膨胀铝合金材料为基体金属，在其表面依次制作梯度结构玻璃层和纳米银反光层，再用透明的环氧树脂进行封装，制备成高性能轻质反射镜。该反射镜对于波段为450～660纳米的入射光，入射角45°时，反射率＞95％；对于波段为550～1100纳米的入射光、入射角45°时，反射率为＞97％，可以满足高能激光对反射器关键部件的要求。产品具有结构性能优良、强度高、装配性好、生产效率和反射效率高等优点，适合复杂反射面造型使用。

Description

铝基材料反射镜及其制备方法

技术领域

本发明属于光学镜材料制备技术领域，涉及一种适用于大型光学器件结构安装的铝基材料反射镜及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，在高能激光器件、激光陀螺仪、光学窗口、太空望远镜等大型光学器件的研发与应用过程中，许多光学反射部件都需要精确的结构安装。传统的光学反射部件大都采用纯玻璃材料制作，但纯玻璃反射部件因为结构造型困难，且玻璃易碎、不易冷加工、不适合复杂反射面造型使用，因此，近年来本领域已考虑在金属基体上进行结构部件的造型加工后再制备成光学反射部件的方案，以供光学高能反射使用。

目前国内外关于反射镜的文献很多，但大多数都是玻璃反射镜。现有的纯金属反射镜的制备方法采用电解抛光制备，但对电解前的表面粗糙度很高，制备成本高昂，效率很低，而且所制备产品的反射率相对较低，难于到达高能激光反射器的要求。例如，俄罗斯曾有专利报道的一种金属反射镜，其原理是在钛合金上烧结玻璃涂层，该反射镜的制备工艺复杂、成品率和生产效率均较低，反光涂层与基体结合较弱，在使用过程中容易脱落。经申请人在现有的信息系统和网络中检索，迄今尚未发现有与本发明结构内容相同的文献报道。

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的缺点，提供一种结构性能优良、强度高、装配性好、生产效率和反射效率高、适合复杂反射面造型使用的铝基材料反射镜，同时本发明还提供一种用于制备该铝基材料反射镜的方法。

本发明所述的铝基材料反射镜具有一个由低膨胀铝合金材料制作的基体金属，在基体金属上自下而上依次设置有50～250μm的梯度结构玻璃层、2～5μm的银反光层和2～5μm的透明树脂封装层。

本发明的实现还在于：作为基体金属的低膨胀铝合金的化学成分为：硅(Si)的重量百分比控制在7～25％，铜(Cu)的重量百分比控制在2～5％，锰(Mn)的重量百分比控制在0.1～0.5％，钛(Ti)的重量百分比控制在0.1～0.5％，铼(RE)的重量百分比控制在0.1～0.5％，其余为铝(Al)。

本发明的实现还在于：梯度结构玻璃层(2)由五层不同组成的玻璃组成，自下而上各层玻璃的金属粉和玻璃粉的体积比依次为：80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100，厚度均为10～50μm。

本发明的实现还在于：组成梯度结构玻璃层的金属粉为铝、铜、锌或镍粉，组成梯度结构玻璃层的玻璃粉为K9玻璃球形粉末，其粒度为10～50μm。

用于制备该铝基材料反射镜的方法是一种在金属铝合金基体上进行纳米反光涂层制备的方法，它包括以下的具体制造步骤：

1)采用铝合金熔铸工艺熔配低膨胀铝合金基体；

2)采用大气等离子喷涂工艺在金属铝合金基体上喷涂制备梯度结构的玻璃涂层，喷涂功率范围为20～80kW；

3)加工玻璃涂层，使表面粗糙度达到纳米级；

4)应用银氨反应法在加工好的玻璃涂层表面镀银；

5)在银反光层表面采用透明环氧树脂进行封装。

本发明技术方案的研发获得源于以下的设计构思：在光学反射器件结构中，光学反射率的高低与反射面的粗糙程度密切相关，只有表面粗糙度低到一定程度，才能获得好的反射效果，否则，有不小的一部分入射光会发生漫反射，反射率会减低；鉴于反射层的表面粗超度与底层的表面粗糙度直接相关，因此要求在制备反射层之前的表面粗糙度达到较高水平，具体要求达到纳米级(几纳米、甚至一纳米范围内)，由于金属部件表面的粗糙度较难加工到这么高的水平，但是对于玻璃表面的加工相对容易，并且在玻璃表面镀银制备反光镜的工艺相对较为成熟，因此设计者选择了在金属基体表面制备玻璃层后再抛光镀银制备反光镜的制备方案；然而玻璃材料和金属材料之间还存在着线膨胀系数差异较大的问题，为在两种线膨胀系数存在较大差异的材料之间形成较好的结合，本发明引入了以线膨胀系数逐渐降低的梯度结构，来减缓制备过程中热应力的释放，即在金属基体表面制备玻璃层时，采用梯度结构以减少、缓和玻璃与金属基体之间的热应力差异，增强玻璃与金属基体之间的结合。另外，现有技术中常用的涂覆烧结方法因为涂覆层与基体层之间存在的线膨胀系数的差异，造成涂覆层与基体层之间的结合有限、成品率较低、生产效率低，而本发明采用梯度结构涂层制备方法可以较好的缓和并减少涂层之间、涂层与基体之间因为线膨胀系数差异引起的应立集中，增强涂层与基体之间的结合，可以提高成品的制成率，提高生产效率，减少浪费。

与现有技术相比，本发明制备的铝基材料反射镜强度高、装配性好、生产成品率高、生产效率高、反射效率高，满足高能激光对反射器关键部件的要求，并且可以在复杂造型表面制得高反射率的反射面(平面、凹面、凸面、复杂造型面等)，适合复杂反射面造型使用。通过大量的实践表明，应用本分明制备的铝基材料反射镜可以达到如下性能：

波段为450～660纳米的入射光，入射角45°时，反射率＞95％；

波段为550～1100纳米的入射光、入射角45°时，反射率为＞97％。

附图说明

附图为本发明所述铝基材料反射镜的结构示意图。

附图中各标号名称分别为：1-基体金属，2-梯度结构玻璃层，3-银反光层，4-透明树脂封装层。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明

实施例1：

采用本发明制备铝基材料反射镜，其基体金属1的组成为：Si的重量百分比控制在7％，Cu的重量百分比控制在2％，Mn的重量百分比控制在0.1％，Ti的重量百分比控制在0.1％，RE的重量百分比控制在0.1％，其余为Al，纳米反光涂层的组成为：厚度为200μm的梯度结构的玻璃层2、厚度为3μm的纳米银反光层3、厚度为3μm的透明树脂(表面)封装层4。其中的梯度结构玻璃层2为五层金属粉和玻璃的复合梯度涂层，其组成的体积比依次为：80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100，厚度均为40μm。

该铝基材料反射镜的制备方法为：

1)应用普通铝合金熔铸工艺，熔配低膨胀铝合金基体；

2)采用大气等离子喷涂工艺在金属铝合金基体上喷涂制备梯度结构的玻璃涂层，喷涂功率范围为60kW；

3)应用普通玻璃加工工艺，加工玻璃涂层，使表面粗糙度达到纳米级；

4)应用银氨反应法在加工好的玻璃涂层表面镀银；

5)在银反光层表面采用透明环氧树脂进行封装。

实施例2：

采用本发明制备铝基材料反射镜，其基体组成为：Si的重量百分比控制在15％，Cu的重量百分比控制在2％，Mn的重量百分比控制在0.1％，Ti的重量百分比控制在0.1％，RE的重量百分比控制在0.1％，其余为Al。纳米反光涂层的组成为：150μm的梯度结构的玻璃层、3μm的纳米银反光层、3μm的表面封装层。其中梯度结构的玻璃层为五层金属铝和K9玻璃的复合梯度涂层，其组成的体积比依次为：80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100，厚度均为30μm。其制备方法同实施例1。

实施例3：

采用本发明制备铝基材料反射镜，其基体组成为：Si的重量百分比控制在25％，Cu的重量百分比控制在2％，Mn的重量百分比控制在0.1％，Ti的重量百分比控制在0.1％，RE的重量百分比控制在0.1％，其余为Al。纳米反光涂层的组成为：150μm的梯度结构的玻璃层、3μm的纳米银反光层、3μm的表面封装层。其中梯度结构的玻璃层为五层金属铝和K9玻璃的复合梯度涂层，其组成的体积比依次为：80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100，厚度均为30μm。其制备方法同实施例1。

实施例4：

采用本发明制备铝基材料反射镜，其基体组成为：Si的重量百分比控制在18％，Cu的重量百分比控制在3％，Mn的重量百分比控制在0.1％，Ti的重量百分比控制在0.1％，RE的重量百分比控制在0.1％，其余为Al。纳米反光涂层的组成为：150μm的梯度结构的玻璃层、3μm的纳米银反光层、3μm的表面封装层。其中梯度结构的玻璃层为5层金属铝和K9玻璃的复合梯度涂层，其组成的体积比依次为：80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100，厚度均为30μm。其制备方法同实施例1。

实施例5：

采用本发明制备铝基材料反射镜，其基体组成为：Si的重量百分比控制在18％，Cu的重量百分比控制在5％，Mn的重量百分比控制在0.1％，Ti的重量百分比控制在0.1％，RE的重量百分比控制在0.1％，其余为Al。纳米反光涂层的组成为：150μm的梯度结构的玻璃层、2μm的纳米银反光层、3μm的表面封装层。其中梯度结构的玻璃层为5层金属铝和K9玻璃的复合梯度涂层，其组成的体积比依次为：80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100，厚度均为30μm。其制备方法同实施例1。

Claims (5)

1.一种铝基材料反射镜，其特征在于具有一个由低膨胀铝合金材料制作的基体金属(1)，在基体金属(1)上自下而上依次设置有50～250μm的梯度结构玻璃层(2)、2～5μm的银反光层(3)和2～5μm的透明树脂封装层(4)。

2.根据权利要求1所述的铝基材料反射镜，其特征在于作为基体金属(1)的低膨胀铝合金的化学成分为：硅的重量百分比控制在7～25％，铜的重量百分比控制在2～5％，锰的重量百分比控制在0.1～0.5％，钛的重量百分比控制在0.1～0.5％，铼的重量百分比控制在0.1～0.5％，其余为铝。

3.根据权利要求1所述的铝基材料反射镜，其特征在于梯度结构玻璃层(2)由五层不同组成的玻璃组成，自下而上各层玻璃的金属粉和玻璃粉的体积比依次为：80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100，厚度均为10～50μm。

4.根据权利要求3所述的铝基材料反射镜，其特征在于组成梯度结构玻璃层的金属粉为铝、铜、锌或镍粉，组成梯度结构玻璃层的玻璃粉为K9玻璃球形粉末，其粒度为10～50μm。

5.一种用于制备权利要求1所述的铝基材料反射镜的方法，其特征在于具体制造步骤为：

1)采用铝合金熔铸工艺熔配低膨胀铝合金基体；

2)采用大气等离子喷涂工艺在金属铝合金基体上喷涂制备梯度结构的玻璃涂层，喷涂功率范围为20～80kW；

3)加工玻璃涂层，使表面粗糙度达到纳米级；

4)应用银氨反应法在加工好的玻璃涂层表面镀银；

5)在银反光层表面采用透明环氧树脂进行封装。

Images