CN107500774A - 一种铝碳化硅材质反射镜制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝碳化硅材质的反射镜的制备方法，该方法先制备铝碳化硅反射镜胚体，再进行粗抛光、热处理和精磨加工，再经过化学镀得到铝碳化硅反射镜，所述铝碳化硅反射镜上镀铜层厚2～10μm，所述铜层上镀镍50～150μm，表面粗糙度为Ra0.012μm，反射率为90％，碳化硅占所述铝碳化硅反射镜体积百分比为70％，所述铝碳化硅反射镜的密度＞2.9g/cm3，热导率＞210W/(m·K)，抗弯强度＞300MPa，热膨胀系数5.5×10‑6/k～9.5×10‑6/k。这种铝碳化硅材质的反射镜的面形变形极小，能适用于空间技术用反射镜。

Description

一种铝碳化硅材质反射镜制备方法
技术领域
本发明属于铝碳化硅生产领域，具体涉及一种铝碳化硅材质的反射镜的制备方法。尤其是铝碳化硅材质反射镜胚体的制备、热处理和反射镜镜面的精磨工艺。
背景技术
随着人类对宇宙探索的不断深入，对空间应用的光学系统的材料性能提出了更高的要求。反射镜作为其中的一个重要部件，不再只要求满足轻量化，还要求其具有可以在恶劣环境条件下长时间工作的物理特性，这就提出了高导热、高硬度、高弹性模量、高比强度、低密度、低热膨胀系数以及均匀线膨胀系数等极高的参数标准。
到目前为止，光学反射镜材料已经发展到第四代。第一代是光学玻璃，以微晶玻璃为代表；第二代为金属材料，以金属铍为代表；第三代为碳化硅陶瓷材料；第四代包括各种新型复合材料，最典型的当属铝碳化硅材料(铝基碳化硅颗粒增强复合材料)。铝碳化硅材料凭借其优异的机械性能和热物理性能成为当前空间应用的主要新型反射镜材料。此外，反射镜还可以应用于高能激光发射器、空间卫星、激光雷达系统、空间望远镜和高分辨率相机等光学系统反射镜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝碳化硅材质的反射镜的制备方法，以实现表面粗糙度为Ra0.012μm，反射率为90％，热膨胀系数为5.5×10-6/k～9.5×10-6/k的铝碳化硅反射镜，这种铝碳化硅材质的反射镜的面形变形极小，能适用于空间技术用反射镜。
本发明采用以下技术方案：
一种铝碳化硅材质反射镜制备方法，先制备铝碳化硅反射镜胚体，再进行粗抛光、热处理和精磨加工，依次镀铜和镀镍后经过表面处理得到表面粗糙度为Ra0.012μm，反射率为90％的铝碳化硅反射镜，所述铝碳化硅反射镜中碳化硅占铝碳化硅反射镜体积百分比的70％，所述铝碳化硅反射镜的密度＞2.9g/cm3，热导率＞210W/(m·K)，抗弯强度＞300MPa，热膨胀系数5.5×10-6/k～9.5×10-6/k。
优选的，包括以下步骤：
S1、通过混料、配胶、造粒、干压、烧结、浸渗制备铝碳化硅反射镜胚体，化学原料包括碳化硅粉料、高岭土原料、聚乙烯醇PVA、羧甲基纤维素钠CMC和铝液；
S2、对步骤S1制备的铝碳化硅反射镜胚体进行粗抛光，达到1～10μm表面粗糙度；
S3、将步骤S2制备的铝碳化硅反射镜胚体进行热处理；
S4、对步骤S3的铝碳化硅反射镜胚体进行精磨，平面度＜0.01mm，表面粗糙度＜Ra0.05μm；
S5、在步骤S4所抛光的表面上进行化学镀铜，铜层的厚度为2～10μm；
S6、在步骤S5所得的镀铜层上再镀镍，镍层的厚度50～150μm；
S7、在步骤S6的镀镍层上进行表面光学精加工，得到铝碳化硅反射镜。
优选的，步骤S1所述铝碳化硅反射镜胚体材料的制备过程为：
S11、将碳化硅粉料和高岭土原料搅拌混合得到混合料，所述高岭土占原料总重量的1％～10％；
S12、按质量比6：2将聚乙烯醇PVA与羧甲基纤维素钠CMC混合配制成胶体，所述胶体的体积浓度为10％；
S13、将步骤S11制备的混合料和步骤S12制备的胶体按质量比5:2混合进行造粒；
S14、对步骤S13制备的造粒进行干压处理，保压压力10～50MPa，保压3～10s加工成碳化硅；
S15、将步骤S14所述碳化硅放入高压烧结炉内烧结成碳化硅陶瓷，所述高压烧结炉的温度为300～1200℃；
S16、将步骤S15所述碳化硅陶瓷放入真空炉内，加压5～10MPa，将铝液压入碳化硅陶瓷基体内，制成所述铝碳化硅。
优选的，步骤S2中，用180目金刚石砂轮进行粗磨。
优选的，步骤S3中，热处理温度从室温经3小时升至300℃，保温4小时，然后随炉冷却。
优选的，步骤S4中，采用沥青抛光盘和12μm金刚石微粉与去离子水混合精磨，平面度为0.01mm，表面粗糙度为Ra0.05μm，抛光温度为-30～30℃。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明铝碳化硅材质反射镜制备方法通过先制备铝碳化硅反射镜胚体，再进行粗抛光、热处理和精磨加工，依次镀铜和镀镍后经过表面处理得到铝碳化硅反射镜，实现制备表面粗糙度为Ra0.012μm，热膨胀系数为5.5×10-6/k～9.5×10-6/k的铝碳化硅反射镜，这种铝碳化硅材质的反射镜的面形变形极小，反射率为90％，适用于空间技术用反射镜。
进一步的，底部镀铜，由于铜密度较大，能有效遮掩AlSiC材料的基底形貌，防止透射。镀镍后进行抛光能达到镜面效果，AlSiC材料复合材料是不能直接抛出镜面。
进一步的，通过混料、配胶、造粒、干压、烧结、浸渗制备铝碳化硅材料，充分结合了碳化硅陶瓷和金属铝的不同优势，它具有成本低廉、高导热性、低热膨胀系数、密度小、重量轻，以及高硬度和高抗弯强度等优异的性能。
进一步的，热处理温度从室温经3小时升至300℃，保温4小时，然后随炉冷却，可以提高铝碳化硅材料的机械性能，消除残余内应力。
进一步的，精抛光中温度低易起划痕，过高易使抛光层变形。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的铝碳化硅反射镜的外形特征图；
其中，1.铝碳化硅反射镜胚体；2.铜层；3.镍层。
具体实施方式
请参阅图1，本发明公开了一种铝碳化硅材质的反射镜的制备方法，先制备铝碳化硅反射镜胚体，再进行粗抛光、热处理和精磨加工，依次镀铜和镀镍后经过表面处理得到表面粗糙度为Ra0.012μm，反射率为90％的铝碳化硅反射镜，所述铝碳化硅反射镜中碳化硅占铝碳化硅反射镜体积百分比的70％，所述铝碳化硅反射镜的密度＞2.9g/cm3，热导率＞210W/(m·K)，抗弯强度＞300MPa，热膨胀系数2.5×10-6/k～9.5×10-6/k。包括以下步骤：
S1：通过混料、配胶、造粒、干压、烧结、浸渗制备铝碳化硅反射镜胚体1，化学原料包括碳化硅粉料、高岭土原料、聚乙烯醇PVA、羧甲基纤维素钠CMC和铝液；
其中，铝碳化硅反射镜胚体材料按如下步骤制备：
S11、混料：将碳化硅粉料和高岭土原料搅拌混合得到混合料，所述高岭土占原料总重量的1％～10％；
S12、配胶：按质量比6：2将聚乙烯醇PVA与羧甲基纤维素钠CMC混合配制成胶体，所述胶体的体积浓度为10％；
S13、造粒：将步骤S11所述混合料和步骤S12所述胶体按照质量比5:2混合进行造粒；
S14、干压：对步骤S13所述造粒进行干压处理，保压压力16MPa，保压3s加工成碳化硅；
S15、烧结：将步骤S14所述碳化硅放入高压烧结炉内烧结成碳化硅陶瓷，所述高压烧结炉的温度为300～1200℃；
S16、浸渗：将步骤S15所述碳化硅陶瓷放入真空炉内，加压10MPa，将铝液压入碳化硅陶瓷基体内，制成所述铝碳化硅。
S2：对步骤S1制备的铝碳化硅反射镜胚体进行粗抛光，达到1～10μm表面粗糙度；
S3：将步骤S2的铝碳化硅反射镜胚体，从室温经3小时升至300℃，保温4小时，随炉冷却；
S4：对步骤S3的铝碳化硅反射镜胚体进行精磨，平面度为0.01mm，表面粗糙度为Ra0.05μm；
S5：在步骤S4所抛光的表面上进行化学镀铜，铜层2的厚度为2～10μm；
S6：在步骤S5所得的镀层上再镀镍，镍层3的厚度50～150μm；
S7：在步骤S6的镀层上进行表面光学精加工，得到表面粗糙度为Ra0.012μm的铝碳化硅反射镜。
本发明提供的方法，在制备铝碳化硅反射镜胚体时，首先要配制好合适的造粒粉，通过工装模具压制成型，然后放入烧结炉中烧结成型。
更优选的是，所述的一种铝碳化硅材质的反射镜的碳化硅的体积百分数占比为70％。
更优选的是，所述的一种铝碳化硅反射镜，热处理温度从室温经3小时升至300℃，保温4小时，随炉冷却；可以提高铝碳化硅材料的机械性能，消除残余内应力。
更优选的是，精抛光温度调节在-30～30℃之间，精抛光中温度低易起划痕，过高易使抛光层变形。
通过本方法制备的反射镜具有优异的物理特性，高导热、高硬度、高弹性模量、高比强度、低密度、低热膨胀系数以及均匀线膨胀系数等，能满足恶劣环境下对于反射镜性能的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，不能以此限定本发明的保护范围，应当指出，凡是按照本发明技术原理提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均应视为本发明权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种铝碳化硅材质反射镜制备方法，其特征在于，先制备铝碳化硅反射镜胚体，再进行粗抛光、热处理和精磨加工，依次镀铜和镀镍后经过表面处理得到表面粗糙度为Ra0.012μm，反射率为90％的铝碳化硅反射镜，所述铝碳化硅反射镜中碳化硅占铝碳化硅反射镜体积百分比的70％，所述铝碳化硅反射镜的密度＞2.9g/cm3，热导率＞210W/(m·K)，抗弯强度＞300MPa，热膨胀系数5.5×10-6/k～9.5×10-6/k。
2.根据权利要求1所述的一种铝碳化硅材质反射镜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过混料、配胶、造粒、干压、烧结、浸渗制备铝碳化硅反射镜胚体，化学原料包括碳化硅粉料、高岭土原料、聚乙烯醇PVA、羧甲基纤维素钠CMC和铝液；
S2、对步骤S1制备的铝碳化硅反射镜胚体进行粗抛光，达到1～10μm表面粗糙度；
S3、将步骤S2制备的铝碳化硅反射镜胚体进行热处理；
S4、对步骤S3的铝碳化硅反射镜胚体进行精磨，平面度＜0.01mm，表面粗糙度＜Ra0.05μm；
S5、在步骤S4所抛光的表面上进行化学镀铜，铜层的厚度为2～10μm；
S6、在步骤S5所得的镀铜层上再镀镍，镍层的厚度50～150μm；
S7、在步骤S6的镀镍层上进行表面光学精加工，得到铝碳化硅反射镜。
3.根据权利要求2所述的一种铝碳化硅材质反射镜制备方法，其特征在于，步骤S1所述铝碳化硅反射镜胚体材料的制备过程为：
S11、将碳化硅粉料和高岭土原料搅拌混合得到混合料，所述高岭土占原料总重量的1％～10％；
S12、按质量比6：2将聚乙烯醇PVA与羧甲基纤维素钠CMC混合配制成胶体，所述胶体的体积浓度为10％；
S13、将步骤S11制备的混合料和步骤S12制备的胶体按质量比5:2混合进行造粒；
S14、对步骤S13制备的造粒进行干压处理，保压压力10～50MPa，保压3～10s加工成碳化硅；
S15、将步骤S14所述碳化硅放入高压烧结炉内烧结成碳化硅陶瓷，所述高压烧结炉的温度为300～1200℃；
S16、将步骤S15所述碳化硅陶瓷放入真空炉内，加压5～10MPa，将铝液压入碳化硅陶瓷基体内，制成所述铝碳化硅。
4.根据权利要求2所述的一种铝碳化硅材质反射镜制备方法，其特征在于，步骤S2中，用180目金刚石砂轮进行粗磨。
5.根据权利要求2所述的一种铝碳化硅材质反射镜制备方法，其特征在于，步骤S3中，热处理温度从室温经3小时升至300℃，保温4小时，然后随炉冷却。
6.根据权利要求2所述的一种铝碳化硅材质反射镜制备方法，其特征在于，步骤S4中，采用沥青抛光盘和12μm金刚石微粉与去离子水混合精磨，平面度为0.01mm，表面粗糙度为Ra0.05μm，抛光温度为-30～30℃。
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