RU2655477C1 - Зеркало и способ его изготовления - Google Patents

Зеркало и способ его изготовления Download PDF

Info

Publication number
RU2655477C1
RU2655477C1 RU2017111548A RU2017111548A RU2655477C1 RU 2655477 C1 RU2655477 C1 RU 2655477C1 RU 2017111548 A RU2017111548 A RU 2017111548A RU 2017111548 A RU2017111548 A RU 2017111548A RU 2655477 C1 RU2655477 C1 RU 2655477C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
diamond
vol
substrate
elements
Prior art date
Application number
RU2017111548A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Константинович Гордеев
Светлана Борисовна Корчагина
Денис Юрьевич Латышев
Сергей Александрович Болкисев
Original Assignee
Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов" filed Critical Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов"
Priority to RU2017111548A priority Critical patent/RU2655477C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2655477C1 publication Critical patent/RU2655477C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/08Mirrors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

Зеркало может быть использовано в лазерной технике, оптоэлектронике, информационной и силовой оптике, в системах оптической локации и поиска. Зеркало включает подложку из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, кремнийсодержащий разделительный слой и отражающий слой. Подложка выполнена из отдельных элементов, сопряженных друг с другом керамической связкой, содержащей алмаз, карбид кремния и кремний в соотношении: алмаз - 30-50% об., карбид кремния - 20-60% об., кремний - 3-40% об., а разделительный слой выполнен из кремния. Способ включает получение подложки из алмазсодержащего композиционного материала, формирование на его поверхности разделительного слоя, его оптическую обработку и нанесение отражающего слоя. Получение подложки осуществляют сборкой из отдельных элементов, предварительно изготовленных формованием алмазного порошка с временным связующим и пропиткой жидким кремнием, и последующим сопряжением собранных элементов формированием между ними связки, содержащей алмаз, карбид кремния и кремний, путем заполнения стыков между элементами суспензией алмазного порошка в растворе временного связующего и пропитки заполненных суспензией стыков жидким кремнием. Технический результат - упрощение технологии его изготовления. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области оптического машиностроения, а более конкретно к области изготовления оптических зеркал, и может быть использовано в области лазерной техники, оптоэлектроники, информационной и силовой оптики, в системах оптической локации и поиска.
Для получения высококачественных изображений в широком диапазоне рабочих температур и термических воздействий зеркало должно обладать высокой удельной жесткостью, теплопроводностью, низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и высокой степенью отражения в требуемом интервале длин волн. Поэтому конструкция эффективных зеркал предусматривает формирование тонкого отражающего слоя с требуемой степенью отражения в заданном спектральном диапазоне на поверхности подложки, изготовленной из материала с высокой удельной жесткостью, высокой теплопроводностью и низким ТКЛР. Для сопряжения отражающего слоя с подложкой между ними формируют разделительный слой.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, по мнению авторов, является зеркало, описанное в патенте РФ №2403595 (кл. G02B 5/08). Известное зеркало включает подложку, выполненную из композиционного материала, разделительный слой и отражающий слой. Композиционный материал, из которого изготовлена подложка, имеет состав: алмаз - 50-75% об., карбид кремния - 20-45% об., кремний - 3-20% об., разделительный слой содержит карбид кремния - 10-35% об. и кремний - 65-90% об., а карбид кремния в разделительном слое образован за счет взаимодействия углеродных волокон с кремнием. Способ получения такого зеркала включает в себя получение подложки из композиционного материала, формирование на его поверхности разделительного слоя, последующую обработку разделительного слоя до оптического качества и нанесение отражающего слоя (оптического покрытия), при этом в качестве материала подложки используют композиционный материал состава: алмаз - 50-75% об., карбид кремния - 20-45% об., кремний - 3-20% об., а разделительный слой формируют путем пропитки жидким кремнием пористой углеволокнистой заготовки, помещенной на поверхность подложки.
Недостатком известного технического решения является сложность его применения для изготовления зеркал, имеющих структуру облегчения (т.е. сформированных в подложке полостей, обеспечивающих существенное уменьшение веса зеркала без значительного снижения его жесткости при изгибе), а также зеркал большого размера. Это связано с высокой твердостью алмазсодержащего композита. Кроме того, изготовление разделительного слоя из двухфазного композиционного материала карбид кремния-кремний, сформированного путем пропитки жидким кремнием пористой углеволокнистой заготовки, помещенной на поверхность подложки, не обеспечивает высокую чистоту поверхности зеркала после оптической обработки из-за разной твердости фаз разделительного слоя, входящих в композиционный материал.
Задачей изобретения является конструкция зеркала, обеспечивающая упрощение технологии его изготовления, и способ изготовления такого зеркала.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое зеркало включает подложку, выполненную из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, разделительный слой и отражающий слой, при этом подложка выполнена из отдельных элементов, сопряженных друг с другом керамической связкой, содержащей алмаз, карбид кремния и кремний в соотношении: алмаз - 30-50% об., карбид кремния - 20-60% об., кремний - 3-40% об., а разделительный слой выполнен из кремния.
Содержание в связке алмаза менее 30% об. и карбида кремния менее 20% об. не обеспечивает прочного сопряжения отдельных элементов конструкции зеркала из-за отличия свойств такого композита от свойств материала отдельных элементов. В зоне сопряжения наблюдаются дефекты. Применение связки с содержанием алмаза более 50% об. и карбида кремния более 60% об. технологически затруднено.
Предпочтительно, чтобы элементы подложки были выполнены из композиционного материала, имеющего состав: алмаз - 50-75% об., карбид кремния - 20-45% об., кремний - 3-20% об. Такой состав материала обеспечивает ему модуль упругости более 650 ГПа и предпочтителен для создания высокожестких зеркал.
Предпочтительно, чтобы элементы подложки были выполнены из композиционного материала, имеющего состав: алмаз - 35-50% об., карбид кремния - 40-60% об., кремний - 3-20% об. Такой состав материала обеспечивает модуль упругости материала более 500 ГПа, но в сочетании с этим обладает большей технологичностью при изготовлении из него отдельных элементов зеркал.
Предлагаемый способ изготовления зеркала включает получение подложки из алмазсодержащего композиционного материала, формирование на его поверхности разделительного слоя, последующую оптическую обработку разделительного слоя и нанесение отражающего слоя, при этом получение подложки осуществляют сборкой из отдельных элементов, предварительно изготовленных формованием алмазного порошка с временным связующим и пропиткой жидким кремнием, и последующим сопряжением собранных элементов формированием между ними связки, содержащей алмаз, карбид кремния и кремний, путем заполнения стыков между элементами суспензией алмазного порошка в растворе временного связующего и пропитки заполненных суспензией стыков жидким кремнием.
Техническое решение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - схема поперечного разреза зеркала.
Фиг. 2 - вид зеркала с элементами для крепления.
Фиг. 3 - вид зеркала с подложкой со структурой облегчения.
Обозначения на чертежах:
1 - отражающий слой,
2 - разделительный слой,
3 - подложка зеркала из композиционного материала алмаз - карбид кремния - кремний,
4 - отдельные элементы, сопряженные вместе,
4а - радиальные элементы,
4б - тангенциальные элементы,
4в - пластина оптической поверхности,
5 - места стыков отдельных элементов, в которых сформирована связка,
6 - пластина подложки зеркала,
7 - элементы для крепления зеркала.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.
Зеркало представляет собой трехслойную конструкцию (фиг. 1), включающую подложку (поз. 3), разделительный слой (поз. 2) и отражающий слой (поз. 1). Применяемый для изготовления подложки зеркала композиционный материал является трехфазным и состоит из алмаза, карбида кремния и кремния. Все фазы, составляющие материал, обладают высоким модулем упругости (1100 ГПа, 450 ГПа, 110 ГПа, соответственно), низкой плотностью (3,5 г/см3; 3,2 г/см3; 2,3 г/см3 соответственно), высокой теплопроводностью (более 1000 Вт/(м⋅К), 100 Вт/(м⋅К), 150 Вт/(м⋅К) соответственно). Их взаимное сочетание обеспечивает данному композиту исключительно высокие свойства. Модуль упругости материала (Е) - 500-700 ГПа, плотность (ρ) - 3,3-3,4 г/см3, удельная жесткость E/ρg=(18-23)⋅106 м, где g - ускорение свободного падения 9,8 м/с. Теплопроводность композиционного материала - (200-600) Вт/(м⋅К), ТКЛР - (2-2,5)⋅10-6 К-1.
В предлагаемом техническом решении подложка зеркала из композита алмаз - карбид кремния - кремний выполнена из отдельных элементов. На фиг. 2 представлено зеркало, подложка которого имеет элементы для закрепления в оптическом тракте прибора (например, для соединения с крепежными фланцами методом механического закрепления, пайки, склейки и др.). Подложка зеркала состоит из трех элементов: плоской пластины и двух одинаковых трапециевидных элементов, которые сопряжены с пластиной керамической связкой, содержащей алмаз, карбид кремния и кремний. Изготовление такой подложки из отдельных элементов с последующим их сопряжением упрощает процесс изготовления и повышает коэффициент использования материала в сравнении с процессом изготовления из единичной пластины методом фрезерования.
Для уменьшения массы зеркала с обеспечением его жесткости, большинство известных конструкций зеркал имеет зону облегчения, как это показано на фиг. 3. Зона облегчения формируется со стороны, противоположенной оптической поверхности зеркала. Формирование зоны облегчения в большинстве известных технических решений осуществляют механической обработкой (фрезерованием) заготовки подложки зеркала. Однако высокая твердость композиционных материалов алмаз - карбид кремния - кремний (55 ГПа) делает невозможным его механическую обработку. Поэтому в предлагаемом техническом решении подложка зеркала выполнена из отдельных элементов, скрепленных вместе. Например, для конструкции, представленной на фиг. 3, можно выделить радиальные элементы (поз. 4а), тангенциальные элементы (поз. 4б) и пластину оптической поверхности (поз. 4в).
В предложенных зеркалах, в том числе представленных на фиг. 2 и 3, элементы изготавливаются из композиционного материала алмаз - карбид кремния - кремний. Для этого шихту, состоящую из алмазного порошка и временного связующего, формуют, например, прессованием в металлических формах для придания заготовкам элементов требуемой формы и размеров. После отверждения заготовки с временным связующим ее помещают в высокотемпературную вакуумную печь и пропитывают жидким кремнием при температуре 1450-1600°C. Полученные элементы собирают на стапеле, формируя из них конструкцию зеркала. Стыки элементов (поз. 5) заполняют суспензией из алмазного порошка и временного связующего. После высыхания суспензии стыки пропитывают жидким кремнием. В ходе пропитки стыков в них формируется композиционный материал алмаз - карбид кремния - кремний, аналогичный материалу, из которого изготовлены элементы зеркала. Тем самым вся конструкция подложки зеркала сформирована из композита алмаз - карбид кремния - кремний.
На оптической поверхности подложки зеркала сформирован разделительный слой, состоящий из кремния. Разделительный слой из кремния формируют, например, расплавлением кристаллического кремния на оптической поверхности подложки при температуре 1450°C и последующей его кристаллизацией при охлаждении подложки. Формирующий разделительный слой кремний имеет высокую адгезию к поверхности подложки. Это связано с тем, что в структуру композиционного материала подложки также входит кремний, который обеспечивает прочное закрепление разделительного слоя на подложке за счет взаимного проникновения кремния между разделительным слоем и подложкой. Кремний, формирующий разделительный слой, имеет низкий ТКЛР, который практически равен ТКЛР подложки. Это обеспечивает малый уровень термических напряжений между подложкой и разделительным слоем при изменении температуры в процессе эксплуатации зеркала. Кремний - однофазный материал, который может быть обработан методами оптической обработки до высокого класса чистоты, что необходимо при создании точных зеркал.
Отражающий слой, например алюминий толщиной 0,2 мкм, нанесен на поверхность полированного до зеркального состояния разделительного слоя. Отражающий слой наносят, например, широко применяемым в оптическом приборостроении методом вакуумного напыления.
Использование предлагаемого технического решения позволяет существенно упростить технологию изготовления зеркал, в том числе с зоной облегчения. Сборка из отдельных, заранее аттестованных на отсутствие дефектов, элементов позволяет не только гарантировать качество изготавливаемых подложек, но и существенно повысить коэффициент использования материала, который из-за содержания в нем алмаза не является дешевым.
Сущность предлагаемого решения поясняется примером.
Зеркало диаметром 100 мм представляет собой плоскую пластину диаметром 100 мм и толщиной 4 мм, с одной стороны которой имеется зона облегчения из пластин толщиной 2 мм и высотой 15 мм. Пластины в зоне облегчения ориентированы следующим образом: 6 пластин длиной 50 мм (радиальные элементы) ориентированы по радиусу зеркала с углом 60° между ними, 6 пластин формируют внешнее кольцо зоны облегчения, имеющее диаметр 100 мм (тангенциальные элементы), 6 пластин формируют внутреннее кольцо зоны облегчения диаметром 50 мм (тангенциальные элементы). На поверхность подложки зеркала, противоположной зоне облегчения, нанесен разделительный слой из кремния толщиной 0,5 мм, который обработан до оптического качества по шероховатости и форме поверхности. На поверхности обработанного разделительного слоя сформирован отражательный слой из алюминия толщиной 0,2 мкм.
Для изготовления подложки зеркала из композита алмаз - карбид кремния - кремний приготавливают шихту из порошка синтетического алмаза с размером частиц 20-28 мкм с добавлением 10% масс. 25%-ного раствора фенол-формальдегидной смолы в спирте. Полученную шихту формуют в стальных формах при давлении 100 МПа для получения заготовок элементов пяти типов: пластины диаметром 100 мм и толщиной 4 мм; шести прямых пластин длиной 47 мм, толщиной 2 мм и высотой 15 мм; шести пластин, имеющих радиус 50 мм, толщиной 2 мм, высотой 15 мм и длиной по внешнему радиусу 51 мм; шесть пластин, имеющих радиус 25 мм, толщиной 2 мм, высотой 15 мм и длиной по внешнему радиусу 23 мм. Сформованные заготовки элементов термообрабатывают при температуре 160°C. Затем элементы помещают в вакуумную печь и пропитывают жидким кремнием при температуре 1500°C. Полученные элементы имеют состав: алмаз - 40% об., карбид кремния - 52% об., кремний - 8% об. Модуль упругости материала элементов 570 ГПа. Проведенный рентгеновский неразрушающий контроль не выявил внутренних дефектов в элементах.
Элементы устанавливают на сборочном стапеле, ориентируя их в соответствии с конструкцией подложки зеркала. Стыки между элементами, в том числе зону примыкания элементов зоны облегчения и пластины, обеспечивающей оптическую поверхность, заполняют 80%-ной суспензией порошка алмаза с размером частиц 20-28 мкм в 10%-ном растворе фенол-формальдегидной смолы. После заполнения всех стыков, собранную конструкцию помещают в вакуумную печь и пропитывают стыки жидким кремнием при температуре 1500°C. При этом в зоне стыков формируется композит алмаз - карбид кремния - кремний состава: алмаз - 35% об., карбид кремния - 50% об., кремний - 14% об. Тем самым получают подложку зеркала.
Затем на оптическую поверхность подложки зеркала (противоположную зоне облегчения) наносят разделительный слой кремния толщиной 1 мм путем расплавления кристаллического кремния на этой поверхности. Разделительный слой сошлифовывают до толщины 0,5 мм на станках оптической обработки, придавая ему при этом необходимую точность формы и низкую шероховатость. После обработки методом вакуумного напыления наносят отражающий слой из алюминия толщиной 0,2 мкм.
Как видно из представленного примера, коэффициент использования исходного сырья - порошка алмаза - близок к 100%.
Таким образом, сочетание в предлагаемом техническом решении применения композиционного материала, который обладает комплексом высоких механических и теплофизических свойств, хорошей адгезией к разделительному слою, дальнейшая оптическая обработка которого высокотехнологична, а также применения конструктивного и технологического приема изготовления подложки из отдельных элементов (с обеспечением коэффициента использования материала практически равным 100%), обеспечивает заметные преимущества предлагаемого зеркала по сравнению с известными техническими решениями.

Claims (4)

1. Зеркало, включающее подложку, выполненную из композиционного материала, содержащего алмаз, карбид кремния и кремний, кремнийсодержащий разделительный слой и отражающий слой, отличающееся тем, что подложка выполнена из отдельных элементов, сопряженных друг с другом керамической связкой, содержащей алмаз, карбид кремния и кремний в соотношении: алмаз - 30-50% об., карбид кремния - 20-60% об., кремний - 3-40% об., а разделительный слой выполнен из кремния.
2. Зеркало по п. 1, отличающееся тем, что элементы подложки выполнены из композиционного материала, имеющего состав: алмаз - 50-75% об., карбид кремния - 20-45% об., кремний - 3-20% об.
3. Зеркало по п. 1, отличающееся тем, что элементы подложки выполнены из композиционного материала, имеющего состав: алмаз - 35-50% об., карбид кремния - 40-60% об., кремний - 3-20% об.
4. Способ изготовления зеркала по п. 1, включающий получение подложки из алмазсодержащего композиционного материала, формирование на его поверхности разделительного слоя, последующую оптическую обработку разделительного слоя и нанесение отражающего слоя, отличающийся тем, что получение подложки осуществляют сборкой из отдельных элементов, предварительно изготовленных формованием алмазного порошка с временным связующим и пропиткой жидким кремнием, и последующим сопряжением собранных элементов формированием между ними связки, содержащей алмаз, карбид кремния и кремний, путем заполнения стыков между элементами суспензией алмазного порошка в растворе временного связующего и пропитки заполненных суспензией стыков жидким кремнием.
RU2017111548A 2017-04-05 2017-04-05 Зеркало и способ его изготовления RU2655477C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111548A RU2655477C1 (ru) 2017-04-05 2017-04-05 Зеркало и способ его изготовления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111548A RU2655477C1 (ru) 2017-04-05 2017-04-05 Зеркало и способ его изготовления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2655477C1 true RU2655477C1 (ru) 2018-05-28

Family

ID=62560586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017111548A RU2655477C1 (ru) 2017-04-05 2017-04-05 Зеркало и способ его изготовления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2655477C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU213841U1 (ru) * 2022-06-29 2022-09-30 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов" (АО "ЦНИИМ") Зеркало

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4814232A (en) * 1987-03-25 1989-03-21 United Technologies Corporation Method for depositing laser mirror coatings
RU2107315C1 (ru) * 1995-09-11 1998-03-20 Фирма "Юнток" Зеркало
US6587263B1 (en) * 2000-03-31 2003-07-01 Lockheed Martin Corporation Optical solar reflectors
RU2403595C2 (ru) * 2008-09-16 2010-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт материалов", ФГУП "ЦНИИМ" Зеркало и способ его изготовления
CN102094179A (zh) * 2010-12-30 2011-06-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 RB-SiC基底反射镜表面改性层结构及制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4814232A (en) * 1987-03-25 1989-03-21 United Technologies Corporation Method for depositing laser mirror coatings
RU2107315C1 (ru) * 1995-09-11 1998-03-20 Фирма "Юнток" Зеркало
US6587263B1 (en) * 2000-03-31 2003-07-01 Lockheed Martin Corporation Optical solar reflectors
RU2403595C2 (ru) * 2008-09-16 2010-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт материалов", ФГУП "ЦНИИМ" Зеркало и способ его изготовления
CN102094179A (zh) * 2010-12-30 2011-06-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 RB-SiC基底反射镜表面改性层结构及制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU213841U1 (ru) * 2022-06-29 2022-09-30 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов" (АО "ЦНИИМ") Зеркало
RU220092U1 (ru) * 2022-12-30 2023-08-24 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов"(АО "ЦНИИМ") Охлаждаемое зеркало

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5825565A (en) Reflector
JP3309096B2 (ja) 反射体又はミラーの製造方法及び反射体
CA2532822C (en) Composition gradient thermostructural composite structure and method for the production thereof
US4704332A (en) Lightweight fiber reinforced high temperature stable glass-ceramic abradable seal
EP2414305B1 (fr) Procede pour le lissage de la surface d'une piece en materiau cmc.
US5055430A (en) Carbon coated silicon carbide, silicon nitride or sialon fibers in a ceramic matrix
JP5978105B2 (ja) 炭化ケイ素セラミックス接合体及び炭化ケイ素セラミックス接合体の製造方法
US20110221084A1 (en) Honeycomb composite silicon carbide mirrors and structures
EP0482994B1 (fr) Pièce en matériau composite carboné, protégée contre l'oxydation et son procédé de fabrication
US20170050890A1 (en) Advanced Mirrors Utilizing Polymer-Derived-Ceramic Mirror Substrates
FR2625191A1 (fr) Article composite a matrice de silice armee de fibres de graphite
RU2655477C1 (ru) Зеркало и способ его изготовления
US5229196A (en) Fiber reinforced ceramic glass composites having tailored coefficient of thermal expansion
JP2005508448A (ja) 部品の表面上に連続被覆を作る方法
WO2017083707A1 (en) Advanced mirrors utilizing polymer-derived mirror substrates
EP0430819B1 (fr) Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, notamment à texture en fibres de carbone ou réfractaires et matrice en carbone ou céramique
RU2403595C2 (ru) Зеркало и способ его изготовления
JP3600642B2 (ja) 反射体及びその製造方法
EP0443950B1 (fr) Dispositif de moulage en matériau composite pour le pressage à chaud de pièces en matériau réfractaire
KR20070025829A (ko) 탄소/탄소 복합체의 내산화성 다층 코팅막 및 그 제조방법
JPH03141850A (ja) 断熱ピストン及びその製造方法
RU2692921C1 (ru) Способ изготовления подложки зеркала из карбидокремниевой керамики
RU2628037C2 (ru) Зеркало и способ его изготовления
JPS5828233B2 (ja) 燃焼室または排気管を構成する内燃機関用セラミックス−鋳鉄複合体
Maslov Promising Micro-Nano-Technologies and Materials for Joining Precision Parts of Optics-and-Electronics Devices