輕質(zhì)C-SiC復(fù)合材料及其反射鏡的設(shè)計(jì)與制備研究.pdf

1、C/SiC復(fù)合材料是新型輕質(zhì)光學(xué)反射鏡理想的候選材料。本文在全面綜述SiC及其復(fù)合材料反射鏡制備工藝和研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，針對(duì)高分辨空間相機(jī)對(duì)反射鏡材料和輕量化結(jié)構(gòu)的要求，開展了新型輕質(zhì)C/SiC復(fù)合材料及其反射鏡的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)研究，旨在突破C/SiC復(fù)合材料反射鏡設(shè)計(jì)及制備的一系列關(guān)鍵技術(shù)，為國產(chǎn)C/SiC復(fù)合材料反射鏡的早日應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 從實(shí)現(xiàn)反射鏡坯體輕量化和表面滿足光學(xué)加工及應(yīng)用要求的角度出發(fā)，提出了三明治結(jié)構(gòu)的C/S

2、iC反射鏡：C/SiC坯體—梯度過渡層—表面致密層。建立了材質(zhì)氣孔率和氣孔大小與表面粗糙度的定量關(guān)系：RA=2dp(1-p)。從工藝設(shè)計(jì)上采用了CVD SiC做表面涂層；C/C預(yù)制件的氣相反應(yīng)燒結(jié)工藝制備低密度的C/SiC坯體；并通過漿料預(yù)涂層—?dú)庀喾磻?yīng)燒結(jié)工藝制備Si—SiC梯度過渡層解決CVD SiC涂層和C/SiC坯體之間的熱匹配問題。 系統(tǒng)研究了氣相反應(yīng)燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)制備的C/SiC復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及性能的影響。優(yōu)化的氣相

3、反應(yīng)燒結(jié)工藝參數(shù)為：反應(yīng)溫度1500℃，保溫時(shí)間1hr。探明了素坯組成和孔隙率對(duì)C/SiC復(fù)合材料力學(xué)和熱學(xué)性能的影響規(guī)律。素坯中裂解C含量為27vol％、孔隙率為53％時(shí)，C/SiC復(fù)合材料中SiC基體含量最高，力學(xué)性能最佳，強(qiáng)度和模量分別為238MPa和215GPa。隨著素坯孔隙率的降低，C/SiC復(fù)合材料中殘余C含量增加，熱膨脹系數(shù)不斷降低。 在坯體制備過程中，利用轉(zhuǎn)化連接技術(shù)將分塊的C/C素坯通過氣相反應(yīng)燒結(jié)連成整體結(jié)構(gòu)

4、，實(shí)現(xiàn)了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的反射鏡輕量化方式。 探明了CVD工藝參數(shù)對(duì)SiC涂層均勻性、結(jié)構(gòu)及性能的影響。優(yōu)化的CVD SiC涂層制備工藝為：沉積溫度1100℃，沉積壓力低于5 kPa，稀釋氣體Ar不超過200 ml/min。在此條件下能制備出均勻、顆粒細(xì)小、表面光滑、結(jié)晶完整、化學(xué)計(jì)量比的β—SiC涂層。優(yōu)化工藝條件下制備的CVD SiC涂層的密度為3.204 g/cm3，彈性模量為470 GPa，CVD SiC涂層光學(xué)加工性能優(yōu)異

5、，拋光后表面粗糙度RA達(dá)到0.429 nm。 采用了漿料預(yù)涂層—?dú)庀喾磻?yīng)燒結(jié)法制備Si—SiC梯度過渡涂層，通過配方設(shè)計(jì)，控制預(yù)涂層漿料中C的含量，制備出致密、均勻的Si—SiC梯度過渡層。涂層由多晶β—SiC和Si兩相組成，β—SiC由預(yù)涂層中的C和Si反應(yīng)生成。采用兩步滲Si工藝和一步滲Si工藝均能制備出和坯體結(jié)合良好的Si—SiC梯度過渡層，梯度過渡層與CVD SiC涂層之間均有較好的熱匹配性，結(jié)合性能良好。 在小