輕型高強A l-Si/SiC復合材料反射鏡的制備與性能

苑永濤 吳海鷹 劉紅 方敬忠

（中國科學院光電技術研究所，成都 610209）

0 引言

隨著空間光學技術的發展，光學系統對反射鏡及其支撐結構提出了更為苛刻的要求[1-2]。傳統金屬結構材料如 A l合金、Ti合金、殷鋼等，難以滿足航空航天系統對材料的綜合要求，選用比剛度和熱穩定性更好的材料是解決空間光學系統應用問題的途徑之一[3-4]。Al/SiC復合材料具有可調的機械和熱匹配性能、設計自由度大、能適應嚴酷的空間環境等特性，因此，A l/SiC復合材料在航空航天系統中的應用日益廣泛[5]。

目前美國、俄羅斯和日本在A l/SiC復合材料的研制應用方面處于領先的地位，其中美國已經將A l/SiC復合材料應用在航空航天領域，不僅用作高性能電子封裝材料、航空航天結構件，近年來還使用鋁基復合材料制作激光反射鏡[6]、空間掃描鏡[7-8]以及輕量化空間望遠鏡[9]。最近，國內也開展了A l/SiC復合材料反射鏡的相關研究，文獻[10-14]報道了A l/SiC復合材料在空間反射鏡領域的應用研究。

A l/SiC復合材料制備方法較多，常用的有攪拌鑄造法、粉末冶金法、壓力浸滲和真空擴散浸滲法等。與其他幾種方法相比，真空擴散浸滲技術采用凝膠注模工藝制備預制體，通過提高預制體中SiC的固相含量，使A l/SiC復合材料具有更低的熱膨脹系數，并提高材料的力學性能。由于采用凝膠注模技術，可以制備大尺寸、復雜形狀器件，并且可以凈近尺寸成型，減少后期加工成本，因此真空擴散浸滲技術是制備空間光機器件的可行方法。本文采用凝膠注模結合真空擴散滲鋁工藝制備了A l-Si/SiC復合材料，并測試了其力學性能、熱學性能及機加工性能。同時在A l-Si/SiC復合材料表面制備了致密化涂層，通過光學加工研制出A l-Si/SiC復合材料反射鏡，并測試了其光學性能。測試結果表明，本文研制的A l-Si/SiC復合材料反射鏡可以滿足空間光學的應用。

1 實驗方法

1.1 A l-Si/SiC復合材料的制備

本文首先通過凝膠注模成型工藝制備SiC素坯，素坯經過干燥、碳化后，利用反應燒結工藝制備出致密的Si/SiC復合材料，然后在適當溫度下，利用Si/SiC復合材料作為浸滲坯體，以不同A l含量的A l-Si合金為浸滲液，Al元素通過液相傳質擴散至整個SiC坯體，從而制備出完整、致密的A l-Si/SiC復合材料。通過控制浸滲工藝參數可使A l元素在坯體中分布均勻，進而保證A l-Si/SiC復合材料物理性能的均勻性。

此外，由于A l-Si/SiC復合材料微觀結構由A l、Si、SiC三相組成，直接進行光學加工，其表面粗糙度不能滿足光學反射鏡的應用需要，因此本文在材料表面制備了具有單相微觀結構的致密涂層，并對其進行了光學加工。

1.2 A l-Si/SiC復合材料性能測試

A l-Si/SiC復合材料的密度測試采用阿基米德排水法，參照標準為GB/T 1423-1996《貴金屬及其合金密度的測試方法》；熱膨脹系數測定采用德國耐馳NETZSCH DIL-402C熱膨脹儀，測試溫區為0～40℃，參照標準為GJB 332-1987《固體材料線膨脹系數測試方法》；微觀結構測試采用TM-1000掃描電子顯微鏡，表面粗糙度測試使用ZYGO Newview 7300表面粗糙度儀。

2 A l-Si/SiC復合材料的性能

2.1 A l-Si/SiC復合材料的主要性能

反射鏡是空間光學系統的關鍵部件，對反射鏡材料的選擇可以依據比剛度和熱性能這兩個重要指標。本文制備的A l-Si/SiC復合材料（熱膨脹系數為4.6×10–6K–1, 0～40℃）與常用反射鏡材料的性能見表1。表中RB-SiC、A l-Si/SiC為中國科學院光電技術研究所自主研制的反射鏡材料。從表1可以看出，RB-SiC的綜合性能最好，但其斷裂韌性較差（3.4MPa·m1/2），僅為A l-Si/SiC復合材料（斷裂韌性6.1MPa·m1/2）的1/2；在常用反射鏡材料中，SiC硬度最大，這也導致了SiC反射鏡的高精度加工困難且價格昂貴；綜合性能緊隨 RB-SiC之后為 Be，但 Be粉塵會對人體產生嚴重危害，限制了其在反射鏡領域的應用；A l-Si/SiC復合材料的綜合性能僅次于SiC及Be，并且A l-Si/SiC復合材料導熱系數比SiC提高了29%，有利于光機系統更快地實現熱平衡，斷裂韌性比SiC提高了79.4%，硬度也低于SiC，這些特性使Al-Si/SiC復合材料具有更好的機械及光學加工性能。綜合考慮，A l-Si/SiC復合材料是一種綜合性能優異的空間反射鏡材料。

表1 A l-Si/SiC復合材料與常用反射鏡材料性能對比Tab.1 Comparison of properties of A l-Si/SiC composites and other materials for mirror

2.2 A l-Si/SiC復合材料的熱膨脹系數

圖1 熱膨脹系數與A l-Si合金中A l含量的關系Fig.1 The relationship between CTE of A l-Si/SiC composites and Al content in the Al-Si alloy

A l-Si/SiC復合材料的熱膨脹系數可通過改變其成分精確調控，因此其性能可按使用的具體要求而靈活設計，這是金屬材料或陶瓷材料難以比擬的。實驗中通過設計不同比例的Al-Si合金浸滲Si/SiC制備出A l-Si/SiC復合材料，并測定相應的熱膨脹系數值。經過不同A l含量的合金液浸滲后測定的A l-Si/SiC復合材料熱膨脹系數如圖1所示。結果表明，隨著浸滲合金液中A l含量的增大，A l-Si/SiC復合材料的熱膨脹系數逐漸增大，且A l-Si/SiC復合材料的熱膨脹系數與浸滲合金液中A l的質量分數近似呈線性關系。當Al-Si合金中Al的質量分數為0時，熱膨脹系數為 2.4×10–6K–1，即為 RB-SiC的熱膨脹系數，與殷鋼的熱膨脹系數（2.5×10–6K–1）相匹配；當 Al-Si合金中A l的質量分數為37%時，A l-Si/SiC復合材料的熱膨脹系數為 4.6×10–6K–1，與K4玻璃的熱膨脹系數（4.6×10–6K–1）相匹配；當 A l-Si合金中 A l的質量分數為 100%時，即使用純鋁浸滲時，A l-Si/SiC 復合材料的熱膨脹系數為 8.7×10–6K–1，與鈦合金的熱膨脹系數（9.2×10–6K–1）比較接近。由此可知，通過調整浸滲合金中A l的含量，可以制備出不同熱膨脹系數的A l-Si/SiC復合材料，該材料可實現與航空航天領域常用的結構材料如Al合金、鈦合金、殷鋼等的熱膨脹系數相匹配。

2.3 A l-Si/SiC復合材料的熱膨脹系數均勻性

Al-Si/SiC復合材料微觀結構及物理性能的均勻性直接影響其工程應用的可靠性，通過測試其熱膨脹系數的均勻性也可以間接反應其微觀組織分布及物理性能的均勻性。測試的A l-Si/SiC復合材料的熱膨脹系數均勻性數據見表2，表中設計熱膨脹系數為4.7×10–6K–1，所選試件直徑為180mm，在兩條相互垂直的直徑方向上均勻選取9個區域制備測試樣品評價熱膨脹系數均勻性。由表2可以看出，熱膨脹系數在(4.61～4.93)×10–6K–1之間，均勻性偏差為±0.16。可見本文研制的A l-Si/SiC復合材料均勻性較好，這得益于通過控制浸滲溫度和保溫時間可使Al在坯體中分布均勻，進而保證A l-Si/SiC復合材料顯微結構及物理性能的均勻性。

表2 Al-Si/SiC的熱膨脹系數均勻性Tab.2 The CTE uniform ity of A l-Si/SiC composites

2.4 A l-Si/SiC復合材料的機械加工性能

為了考察本文研制的A l-Si/SiC復合材料的機械加工性能，利用線切割、平磨、鉆孔、攻絲等手段對A l-Si/SiC復合材料進行了加工。經實踐證明，Al-Si/SiC復合材料的機械加工性能較好，在銑磨、鉆孔、攻絲加工過程中沒有發現崩邊、開裂等現象，這說明航空航天結構合金的常用機械加工手段可以用作A l-Si/SiC復合材料的高精度加工，因此，A l-Si/SiC復合材料可以替代鈦合金、鋁合金及殷鋼等用于空間光機結構材料。

同時，由于反應燒結工藝是一種近凈尺寸成型工藝，可以直接制備出復雜結構、輕量化程度較高的大尺寸 Si/SiC復合材料，是目前制備大口徑復雜輕量化結構反射鏡坯體的首選方法[15]。而本文研制的A l-Si/SiC復合材料是將反應燒結工藝與真空浸滲工藝相結合，因此本文研制的A l-Si/SiC復合材料也是一種近凈尺寸成型工藝方法，適宜于研制大口徑復雜輕量化結構形狀的光機部件。

2.5 A l-Si/SiC復合材料顯微結構

圖2 Al-Si/SiC復合材料斷面及表面SEM圖像Fig.2 SEM image of Al-Si/SiC composites

空間光學反射鏡材料必須具有微觀結構均勻、致密的特性，杜絕可能導致光學加工失敗的氣孔、氣泡等缺陷。本文通過研究A l-Si/SiC復合材料的表面及斷面微觀結構考察了其作為光學鏡面材料的應用可行性。SEM觀察A l-Si/SiC復合材料斷面形貌及表面形貌如圖2所示，由圖2（a）（b）可以看出，Al-Si/SiC復合材料內部結構均勻、致密，無明顯的孔洞和瑕疵，能夠滿足光學反射鏡材料要求及光學加工的需要。圖 2（c）（d）中絮狀物為附著于表面的污染物，可用作顯微鏡調焦參照物，并非材料本身的缺陷。由圖2（c）（d）可見，經光學拋光后A l-Si/SiC復合材料表面均勻、致密，光潔度較好，證實了A l-Si/SiC復合材料用作反射鏡的可行性。

2.6 A l-Si/SiC復合材料的光學加工性能

研制的 A l-Si/SiC復合材料反射鏡其表面粗糙度測量結果如圖 3所示，表面粗糙度均方根值達到1.017 nm，滿足光學反射鏡的使用要求。從圖中還可以看出，A l-Si/SiC復合材料光學加工后表面存在許多淺劃痕，這些劃痕影響了光學加工精度的進一步提高。劃痕產生的原因是由于拋光時使用的磨料硬度較大所致，如果選擇硬度合適的磨料，改進拋光工藝，消除Al-Si/SiC復合材料表面的淺劃痕，光學加工精度必將有更大的提高。今后，將改進光學加工工藝，以獲得表面光學性能更好的A l-Si/SiC復合材料反射鏡。

圖3 A l-Si/SiC復合材料拋光后表面粗糙度Fig.3 Surface roughness of A l-Si/SiC composites

3 結束語

本文通過反應燒結結合真空擴散滲鋁工藝制備了Al-Si/SiC復合材料，通過工藝控制，實現了熱膨脹系數在較大的范圍內（4.6×10–6K–1～8.7×10–6K–1, 0～40℃）連續可調，該材料可與航空航天常用的殷鋼、鈦合金以及K4玻璃的熱膨脹系數匹配，具有較大的設計靈活度。A l-Si/SiC復合材料各項性能測試表明，該復合材料具有密度低、彈性模量高、斷裂韌性好以及優良的機械加工性能等特點，可滿足航空航天結構件的使用要求。同時，在A l-Si/SiC復合材料表面制備了具有單相結構的致密層，解決了其光學加工性能不高的問題，光學拋光后表面粗糙度均方根值達到1.017nm，表明A l-Si/SiC復合材料作為反射鏡可以滿足空間光學的應用。

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