轻质csic复合材料及其反射镜的设计与制备研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要C／SiC复合材料是新型轻质光学反射镜理想的候选材料。本文在全面综述SiC及其复合材料反射镜制备工艺和研究进展的基础上，针对高分辨空间相机对反射镜材料和轻量化结构的要求，开展了新型轻质C／SiC复合材料及其反射镜的设计与制备技术研究，旨在突破C／SiC复合材料反射镜设计及制备的一系列关键技术，为国产C／SiC复合材料反射镜的早日应用奠定基础。从实现反射镜坯体轻量化和表面满足光学加工及应用要求的角度出发，提出了三明治结构的C／SiC反射镜：C／SiC坯体一梯度过渡层一表面致密层。建立了材质气孔率和气孔大小与表面粗糙度的

2、定量关系：R。=2dp(1一p)。从工艺设计上采用了CVDSiC做表面涂层；C／C预制件的气相反应烧结工艺制备低密度的C／SiC坯体；并通过浆料预涂层一气相反应烧结工艺制备Si--SiC梯度过渡层解决CVDSiC涂层和C／SiC坯体之间的热匹配问题。系统研究了气相反应烧结工艺参数对制备的C／SiC复合材料的结构及性能的影响。优化的气相反应烧结工艺参数为：反应温度1500℃，保温时间lhr。探明了素坯组成和孔隙率对C／SiC复合材料力学和热学性能的影响规律。素坯中裂解C含量为27v01％、孔隙率为53％时，C／SiC复合材料中SiC基体含量最高，

3、力学性能最佳，强度和模量分别为238MPa和215GPa。随着素坯孔隙率的降低，C／SiC复合材料中残余C含量增加，热膨胀系数不断降低。在坯体制备过程中，利用转化连接技术将分块的C／C素坯通过气相反应烧结连成整体结构，实现了蜂窝夹层结构的反射镜轻量化方式。探明了CVD工艺参数对SiC涂层均匀性、结构及性能的影响。优化的CVDSiC涂层制备工艺为：沉积温度1100℃，沉积压力低于5kPa，稀释气体Ar不超过200ml／min。在此条件下能制备出均匀、颗粒细小、表面光滑、结晶完整、化学计量比的∥一SiC涂层。优化工艺条件下制备的CVDSiC涂层的密

4、度为3．204g／cm3，弹性模量为470GPa，CVDSiC涂层光学加工性能优异，抛光后表面粗糙度R彳达到O．42911111。采用了浆料预涂层一气相反应烧结法制备Si—SiC梯度过渡涂层，通过配方设计，控制预涂层浆料中C的含量，制备出致密、均匀的Si—SiC梯度过渡层。涂层由多晶∥一SiC和Si两相组成，∥一SiC由预涂层中的C和Si反应生成。采用两步渗Si工艺和一步渗Si工艺均能制备出和坯体结合良好第i页武汉理工大学博士学位论文的Si—SiC梯度过渡层，梯度过渡层与CVDSiC涂层之间均有较好的热匹配性，结合性能良好。在小尺寸试样制备的基

5、础上，进一步优化和稳定了C／SiC坯体、CVDSiC涂层和梯度过渡层的制备工艺。制备出了巾96mm圆形、巾195mm圆形以及长、短轴分别为220mm和150mm的椭圆形C／SiC复合材料反射镜以及巾610mm×88mm具有表面CVDSiC光学涂层的C／SiC反射镜。设计出了满足应用要求的600×480mmC／SiC复合材料摆镜的轻量化结构方式，制备出了该尺寸的C／SiC反射镜坯体。关键词：C／SiC复合材料反射镜；反射镜坯体；气相反应烧结；CVDSiC涂层；热匹配；泥浆预涂层一气相反应烧结法；梯度过渡层第ij页武汉理工大学博士学位论文STUDY

6、ONTHEDESIGNANDPREPARATl0NOFLIGHTWEIGHTC／SICCOMPOSITESANDMIRRORSABSTRACTC／SiCcompositesarethemostprospectivematerialsforlightweightmirrorsduetotheiroutstandingpropertiessuchaslowdensity，lowCTE，highthermalconductivity，homogeneity，etc．Inthisdissertation，thestructuraldesignandpr

7、eparationtechniquewerestudiedfortheaimatthehigh—resolutionspacecamera’Sdemandforlightweightopticalmaterials．ThegoalofthisresearchwastoacceleratethedevelopmentandapplicationofnationallightweightC／SiCcompositesmirrors．TorealizetheapplicationofnewtypeC／SiCmirrors，thereistwomain

8、properties’requestlistedasfollows：lightweightandexcellentpolish-ability．Thr