CN105174720A - 一种轻质反射镜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种轻质反射镜的制造方法。本发明属于航空航天领域中先进制导武器的光电稳瞄和自动跟踪系统领域,具体涉及一种反射镜的制造方法。本发明的目的是要解决传统反射镜制造方法中加工难度大以及重量还不够轻的问题。方法:一、碳化硅颗粒增强铝基复合材料底座的处理;二、配制玻璃钎料;三、加热润湿;四、光学加工。本发明利用玻璃钎料在高体积碳化硅增强铝基复合材料表面良好的润湿性,实现反射镜的轻量化。玻璃钎料体系众多,通过调整不同组分的配比,可以得到具有不同的热膨胀系数和玻璃软化温度的玻璃,使之在一定温度下与铝基复合材料的润湿性良好,可以在铝基复合材料表面得到均匀的玻璃层,解决了轻质反射镜制造工艺的关键技术。
Description
技术领域
本发明属于航空航天领域中先进制导武器的光电稳瞄和自动跟踪系统领域,具体涉及一种反射镜的制造方法。
背景技术
反射镜是制导武器系统和雷达侦查系统中十分关键的部件,反射镜的轻量化可以很好地减轻转动力矩和转动惯量对稳定系统的影响,是提高制导武器瞄准精度和稳定性、提高雷达侦测效果稳定性的关键。
根据用于制造反射镜的材料种类,目前已有的轻质反射镜制造技术可以分为金属反射镜、碳化硅反射镜和金属与玻璃熔封的反射镜等三大类。金属反射镜是通过对轻质金属基体进行精密的机械和光学加工,得到镜面,或者是用环氧胶将光学反射膜与金属基体粘接制备的。该方法存在加工难度大、不耐腐蚀等缺点。碳化硅反射镜是通过反应烧结或者化学气相沉积法来制造的,由于碳化硅的硬度很大,因此也存在光学加工困难的问题。金属与玻璃熔封的反射镜是通过将光学玻璃与表面经过预氧化的轻质金属基体进行热熔封,使其成为有一定强度的结合体,再对玻璃进行光学加工,得到镜面。该方法目前主要应用在钛合金和玻璃的熔封,存在面积大的熔封工艺不成熟的问题,且重量有待进一步减轻。
发明内容
本发明的目的是要解决传统反射镜制造方法中加工难度大以及重量还不够轻的问题,而提供一种轻质反射镜的制造方法。
本发明的一种轻质反射镜的制造方法按以下步骤进行:
一、碳化硅增强铝基复合材料底座的处理:先将碳化硅增强铝基复合材料底座的非附着面加工出均匀分布的圆形盲孔或矩形槽,再将碳化硅增强铝基复合材料底座的附着面加工成平面度为0.02~0.05,粗糙度为Ra6.3~1.6的平面,然后用丙酮在超声作用下清洗,清洗时间为去除表面污渍为止,得到处理后的碳化硅增强铝基复合材料底座;
二、配制玻璃钎料:按质量分数将50%~70%的PbO、20%~40%的B2O3、1%~25%的ZnO和0%~5%的填料混合均匀,得到玻璃钎料;所述的填料为Al2O3、BaO、SiO2、Bi2O3、Li2O·Al2O3·2SiO2和ZrO2·SiO2中的一种或几种,在加热温度为390~550℃范围内所述的玻璃钎料的热膨胀系数与步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料的热膨胀系数相差不超过±10×10-7;
三、加热润湿:将步骤二得到的玻璃钎料均匀地洒在步骤一得到的处理后的碳化硅增强铝基复合材料底座的附着面上,然后置于马弗炉中,以5℃/min~15℃/min的加热速度由室温加热至温度为390~530℃,并在温度为390~530℃的条件下保温10min~20min,然后随炉冷却至室温,得到玻璃层+复合材料层反射镜坯料;所述的玻璃层厚度为0.5mm~1mm;
四、光学加工:对步骤三得到的玻璃层+复合材料层反射镜坯料的玻璃层进行光学冷加工,得到轻质反射镜;所述的光学冷加工包括:粗磨、精磨、抛光和镀膜;所述的粗磨为粗磨至使反射镜的反射面与反射镜的背面平行,反射面平面度小于0.02,反射面粗糙度小于Ra1.6;所述的精磨为精磨至反光时观察反射面整个反射面的光圈数小于2,反射镜的反射面和反射镜的背面之间的平行度小于0.035;所述的抛光为抛光至去除反射面表面的划痕;所述的镀膜为用离子束辅助蒸发真空镀膜方法,在反射面上镀一层金属膜。
本发明的有益效果
本发明提出一种新的轻质反射镜制造工艺,利用玻璃钎料在高体积碳化硅增强铝基复合材料表面良好的润湿性,实现反射镜的轻量化。铝基复合材料由于其具有高比强度、高比刚度、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数低等优点,广发应用与航空航天、电子封装和汽车制造等领域。碳化硅增强的铝基复合材料质量仅为钛的三分之二,强度与钛合金相近,弹性模量也略高于钛合金,价格为钛合金的五分之一。用铝基复合材料代替钛合金来制造反射镜,可以进一步降低反射镜的重量,且由于铝基复合材料表面不需要预氧化,可以简化工艺步骤,降低加工难度,降低制造成本。而玻璃钎料体系众多,通过调整不同组分的配比,可以得到具有不同的热膨胀系数和玻璃软化温度的玻璃,使之在一定温度下与铝基复合材料的润湿性良好,可以在铝基复合材料表面得到均匀的玻璃层,解决了轻质反射镜制造工艺的关键技术。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的一种轻质反射镜的制造方法按以下步骤进行:
一、碳化硅增强铝基复合材料底座的处理:先将碳化硅增强铝基复合材料底座的非附着面加工出均匀分布的圆形盲孔或矩形槽,再将碳化硅增强铝基复合材料底座的附着面加工成平面度为0.02~0.05,粗糙度为Ra6.3~1.6的平面,然后用丙酮在超声作用下清洗,清洗时间为去除表面污渍为止,得到处理后的碳化硅增强铝基复合材料底座;
二、配制玻璃钎料:按质量分数将50%~70%的PbO、20%~40%的B2O3、1%~25%的ZnO和0%~5%的填料混合均匀,得到玻璃钎料;所述的填料为Al2O3、BaO、SiO2、Bi2O3、Li2O·Al2O3·2SiO2和ZrO2·SiO2中的一种或几种,在加热温度为390~550℃范围内所述的玻璃钎料的热膨胀系数与步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料的热膨胀系数相差不超过±10×10-7;
三、加热润湿:将步骤二得到的玻璃钎料均匀地洒在步骤一得到的处理后的碳化硅增强铝基复合材料底座的附着面上,然后置于马弗炉中,以5℃/min~15℃/min的加热速度由室温加热至温度为390~530℃,并在温度为390~530℃的条件下保温10min~20min,然后随炉冷却至室温,得到玻璃层+复合材料层反射镜坯料;所述的玻璃层厚度为0.5mm~1mm;
四、光学加工:对步骤三得到的玻璃层+复合材料层反射镜坯料的玻璃层进行光学冷加工,得到轻质反射镜;所述的光学冷加工包括:粗磨、精磨、抛光和镀膜;所述的粗磨为粗磨至使反射镜的反射面与反射镜的背面平行,反射面平面度小于0.02,反射面粗糙度小于Ra1.6;所述的精磨为精磨至反光时观察反射面整个反射面的光圈数小于2,反射镜的反射面和反射镜的背面之间的平行度小于0.035;所述的抛光为抛光至去除反射面表面的划痕;所述的镀膜为用离子束辅助蒸发真空镀膜方法,在反射面上镀一层金属膜。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料的增强体为碳化硅颗粒、碳化硅晶须或碳化硅短纤维。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料为碳化硅颗粒的体积分数为40%~60%的碳化硅增强铝基复合材料。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:所述的碳化硅的体积分数为40%~60%的碳化硅增强铝基复合材料的制备方法如下:(一)原料混合:将体积分数为40%~60%的碳化硅和余量的铝粉混合均匀,得到混合料;(二)高能球磨:将步骤(一)得到的混合料投入密封球磨罐,对密封球磨罐进行抽真空后充入氩气的操作,并重复抽真空后充入氩气的操作2~10次,然后开始球磨,陶瓷磨球与混合料的质量比为4:1,球磨机转速为200r/min~400r/min,单次球磨时间为25min~35min,球磨总时间为23h~25h,每球磨25min~35min停机一次,停机至原料冷却至室温后再继续球磨,得到球磨后原料;(三)热压烧结:将步骤(二)得到的球磨后原料装入模具中进行冷压,冷压至使球磨后原料的致密度为70%,然后放入空气炉中以5℃/min~20℃/min的升温速度由室温升温到温度为560~600℃,并在温度为560~600℃和压力为190MPa~210MPa的条件下保温保压8min~12min,然后进行降压冷却,降压至常压,冷却至室温,得到坯料;(四)热挤压:将步骤(三)得到的坯料和挤压模具单独在温度为400~440℃的条件下保温25min~35min,然后将步骤(三)得到的坯料放入挤压模具中进行挤压,挤压比为25:1,得到碳化硅的体积分数为40%~60%的碳化硅增强铝基复合材料。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式四不同的是:步骤(二)中球磨机转速为300r/min,单次球磨时间为30min,球磨总时间为24h,每球磨30min停机一次。其他步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式四或五不同的是:步骤(三)中放入空气炉中以5℃/min~20℃/min的升温速度由室温升温到580℃,并在温度为580℃和压力为200MPa的条件下保温保压10min,然后进行降压冷却,降压至常压,冷却至室温,得到坯料。其他步骤及参数与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是:步骤(四)中将步骤三得到的坯料和挤压模具单独在温度为420℃的条件下保温30min,然后挤压。其他步骤及参数与具体实施方式四至六之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤一中所述的圆形盲孔为呈蜂窝状均匀分布的圆形盲孔。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤一中所述的矩形槽为以底座中心为起点呈扇形均匀分布的矩形槽。其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤一中所述的清洗时间为15min~30min。其他步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是:步骤二中所述的玻璃钎料形状为粉末状、膏状或片状。其他步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二:本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是:步骤三中置于马弗炉中,以10℃/min的加热速度由室温加热至温度为460℃,并在温度为460℃的条件下保温15min,然后随炉冷却至室温,得到玻璃层+复合材料层反射镜坯料。其他步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是:步骤四中所述的金属膜为Al膜、Ag膜或Au膜。其他步骤及参数与具体实施方式一至十二之一相同。
采用以下试验来验证本发明的有益效果
试验一、本试验的一种轻质反射镜的制造方法按以下步骤进行:
一、碳化硅增强铝基复合材料底座的处理:先将碳化硅增强铝基复合材料底座的非附着面加工出均匀分布的圆形盲孔,再将碳化硅增强铝基复合材料底座的附着面加工成平面度为0.02,粗糙度为Ra6.3的平面,然后用丙酮在超声作用下清洗,清洗时间为30min,得到处理后的碳化硅增强铝基复合材料底座;
二、配制玻璃钎料:按质量分数将51.2%的PbO、20.2%的B2O3、22.3%的ZnO、5.1%的SiO2和1.2%的BaO混合均匀,得到玻璃钎料;在加热温度为390~550℃范围内所述的玻璃钎料的热膨胀系数与步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料的热膨胀系数相差不超过±10×10-7;
三、加热润湿:将步骤二得到的玻璃钎料均匀地洒在步骤一得到的处理后的碳化硅增强铝基复合材料底座的附着面上,然后置于马弗炉中,以5℃/min的加热速度由室温加热至温度为470℃,并在温度为470℃的条件下保温10min,然后随炉冷却至室温,得到玻璃层+复合材料层反射镜坯料;所述的玻璃层厚度为1mm;
四、光学加工:对步骤三得到的玻璃层+复合材料层反射镜坯料的玻璃层进行光学冷加工,得到轻质反射镜;所述的光学冷加工包括:粗磨、精磨、抛光和镀膜;所述的粗磨为粗磨至使反射镜的反射面与反射镜的背面平行,反射面平面度小于0.02,反射面粗糙度小于Ra1.6;所述的精磨为精磨至反光时观察反射面整个反射面的光圈数小于2,反射镜的反射面和反射镜的背面之间的平行度小于0.035;所述的抛光为抛光至去除反射面表面的划痕;所述的镀膜为用离子束辅助蒸发真空镀膜方法,在反射面上镀一层金属膜。
步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料的增强体为碳化硅颗粒。
步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料为碳化硅颗粒的体积分数为60%的碳化硅增强铝基复合材料。
所述的碳化硅颗粒的体积分数为60%的碳化硅增强铝基复合材料的制备方法如下:(一)原料混合:将体积分数为40%~60%的碳化硅颗粒和余量的铝粉混合均匀,得到混合料;(二)高能球磨:将步骤(一)得到的混合料投入密封球磨罐,对密封球磨罐进行抽真空后充入氩气的操作,并重复抽真空后充入氩气的操作10次,然后开始球磨,陶瓷磨球与混合料的质量比为4:1,球磨机转速为300r/min,单次球磨时间为30min,球磨总时间为24h,每球磨30min停机一次,停机至原料冷却至室温后再继续球磨,得到球磨后原料;(三)热压烧结:将步骤(二)得到的球磨后原料装入模具中进行冷压,冷压至使球磨后原料的致密度为70%,然后放入空气炉中以15℃/min的升温速度由室温升温到560~600℃,并在温度为580℃和压力为200MPa的条件下保温保压10min,然后进行降压冷却,降压至常压,冷却至室温,得到坯料;(四)热挤压:将步骤(三)得到的坯料和挤压模具单独在温度为420℃的条件下保温30min,然后将步骤(三)得到的坯料放入挤压模具中进行挤压,挤压比为25:1,得到碳化硅颗粒的体积分数为60%的碳化硅增强铝基复合材料。
步骤一中所述的圆形盲孔为呈蜂窝状均匀分布的圆形盲孔。
步骤二中所述的玻璃钎料形状为粉末状。
步骤四中所述的金属膜为Al膜。
Claims (10)
1.一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于该方法按以下步骤进行:
一、碳化硅增强铝基复合材料底座的处理:先将碳化硅增强铝基复合材料底座的非附着面加工出均匀分布的圆形盲孔或矩形槽,再将碳化硅增强铝基复合材料底座的附着面加工成平面度为0.02~0.05,粗糙度为Ra6.3~1.6的平面,然后用丙酮在超声作用下清洗,清洗时间为去除表面污渍为止,得到处理后的碳化硅增强铝基复合材料底座;
二、配制玻璃钎料:按质量分数将50%~70%的PbO、20%~40%的B2O3、1%~25%的ZnO和0%~5%的填料混合均匀,得到玻璃钎料;所述的填料为Al2O3、BaO、SiO2、Bi2O3、Li2O·Al2O3·2SiO2和ZrO2·SiO2中的一种或几种,在加热温度为390~550℃范围内所述的玻璃钎料的热膨胀系数与步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料的热膨胀系数相差不超过±10×10-7;
三、加热润湿:将步骤二得到的玻璃钎料均匀地洒在步骤一得到的处理后的碳化硅增强铝基复合材料底座的附着面上,然后置于马弗炉中,以5℃/min~15℃/min的加热速度由室温加热至温度为390~530℃,并在温度为390~530℃的条件下保温10min~20min,然后随炉冷却至室温,得到玻璃层+复合材料层反射镜坯料;所述的玻璃层厚度为0.5mm~1mm;
四、光学加工:对步骤三得到的玻璃层+复合材料层反射镜坯料的玻璃层进行光学冷加工,得到轻质反射镜;所述的光学冷加工包括:粗磨、精磨、抛光和镀膜;所述的粗磨为粗磨至使反射镜的反射面与反射镜的背面平行,反射面平面度小于0.02,反射面粗糙度小于Ra1.6;所述的精磨为精磨至反光时观察反射面整个反射面的光圈数小于2,反射镜的反射面和反射镜的背面之间的平行度小于0.035;所述的抛光为抛光至去除反射面表面的划痕;所述的镀膜为用离子束辅助蒸发真空镀膜方法,在反射面上镀一层金属膜。
2.根据权利要求1所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料的增强体为碳化硅颗粒、碳化硅晶须或碳化硅短纤维。
3.根据权利要求1所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于步骤一中所述的碳化硅增强铝基复合材料为碳化硅的体积分数为40%~60%的碳化硅增强铝基复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于所述的碳化硅的体积分数为40%~60%的碳化硅增强铝基复合材料的制备方法如下:(一)原料混合:将体积分数为40%~60%的碳化硅和余量的铝粉混合均匀,得到混合料;(二)高能球磨:将步骤(一)得到的混合料投入密封球磨罐,对密封球磨罐进行抽真空后充入氩气的操作,并重复抽真空后充入氩气的操作2~10次,然后开始球磨,陶瓷磨球与混合料的质量比为4:1,球磨机转速为200r/min~400r/min,单次球磨时间为25min~35min,球磨总时间为23h~25h,每球磨25min~35min停机一次,停机至原料冷却至室温后再继续球磨,得到球磨后原料;(三)热压烧结:将步骤(二)得到的球磨后原料装入模具中进行冷压,冷压至使球磨后原料的致密度为70%,然后放入空气炉中以5℃/min~20℃/min的升温速度由室温升温到温度为560~600℃,并在温度为560~600℃和压力为190MPa~210MPa的条件下保温保压8min~12min,然后进行降压冷却,降压至常压,冷却至室温,得到坯料;(四)热挤压:将步骤(三)得到的坯料和挤压模具单独在温度为400~440℃的条件下保温25min~35min,然后将步骤(三)得到的坯料放入挤压模具中进行挤压,挤压比为25:1,得到碳化硅的体积分数为40%~60%的碳化硅增强铝基复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于步骤一中所述的圆形盲孔为呈蜂窝状均匀分布的圆形盲孔。
6.根据权利要求1所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于步骤一中所述的矩形槽为以底座中心为起点呈扇形均匀分布的矩形槽。
7.根据权利要求1所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于步骤一中所述的清洗时间为15min~30min。
8.根据权利要求1所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于步骤二中所述的玻璃钎料的形状为粉末状、膏状或片状。
9.根据权利要求1所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于步骤三中置于马弗炉中,以10℃/min的加热速度由室温加热至温度为460℃,并在温度为460℃的条件下保温15min,然后随炉冷却至室温,得到玻璃层+复合材料层反射镜坯料。
10.根据权利要求1所述的一种轻质反射镜的制造方法,其特征在于步骤四中所述的金属膜为Al膜、Ag膜或Au膜。
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