轻质C/SiC复合材料及其反射镜的设计与制备研究

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—梯度过渡层—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定量关系：RA=2dp(1-p)。从工艺设计上采用了CVD SiC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—气相反应烧结工艺制备Si—SiC梯度过渡层解决CVD SiC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1hr。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27vol％、孔隙率为53％时，C/SiC复合材料中SiC基体含量最高，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CVD SiC涂层制备工艺为：沉积温度1100℃，沉积压力低于5 kPa，稀释气体Ar不超过200 ml/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β—SiC涂层。优化工艺条件下制备的CVD SiC涂层的密度为3.204 g/cm3，弹性模量为470 GPa，CVD SiC涂层光学加工性能优异，抛光后表面粗糙度RA达到0.429 nm。 采用了浆料预涂层—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β—SiC和Si两相组成，β—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的Si—SiC梯度过渡层，梯度过渡层与CVD SiC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础上，进一步优化和稳定了C/SiC坯体、CVD SiC涂层和梯度过渡层的制备工艺。制备出了φ96 mm圆形、φ195 mm圆形以及长、短轴分别为220 mm和150 mm的椭圆形C/SiC复合材料反射镜以及φ610mm×88mm具有表面CVD SiC光学涂层的C/SiC反射镜。设计出了满足应用要求的600×480mm C/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。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:缩写列表

声明

第一章绪 论

1.1高分辨空间相机对光学反射镜材料性能要求

1.1.1空间相机对反射镜材料力学性能的要求

1.1.2空间相机对反射镜材料热学性能的要求

1.1.3空间相机对反射镜材料光学性能的要求

1.2轻质光学反射镜材料与轻量化结构研究现状

1.2.1轻质光学反射镜材料发展现状

1.2.2 SiC及其复合材料反射镜轻量化结构研究现状

1.3 SiC陶瓷反射镜的制备及其应用进展

1.3.1 SiC陶瓷反射镜的制备工艺

1.3.2 SiC陶瓷反射镜的应用进展

1.4 C/SiC复合材料反射镜制备及其应用进展

1.4.1 C/SiC复合材料反射镜的特点及优势

1.4.2 C/SiC复合材料反射镜坯的制备工艺

1.4.3 C/SiC复合材料反射镜的应用

1.5 C/SiC复合材料反射镜的研究不足与发展趋势

1.6本文选题依据与研究内容

第二章轻质C/SiC复合材料及其反射镜的设计

2.1反射镜表面光学特征与CVD SiC表面涂层的设计

2.1.1反射镜表面光学特性与材料表面性质的关系

2.1.2各种工艺方法制备的SiC材料的光学特性

2.1.3 CVD SiC涂层的工艺设计

2.2 C/SiC复合材料反射镜轻量化和加工要求与反射镜坯体的设计

2.2.1反射镜轻量化和加工对坯体的要求

2.2.2 C/SiC复合材料反射镜坯的轻量化和可加工特性

2.2.3 C/SiC复合材料反射镜坯体蜂窝夹层结构的设计

2.2.4 C/SiC复合材料反射镜坯体的工艺设计

2.3 C/SiC复合材料反射镜的结构设计

2.3.1 CVD SiC涂层和C/SiC坯体界面应力分析

2.3.2梯度过渡层的设计

2.4本章小结

第三章实验与研究方法

3.1气相反应烧结工艺制备C/SiC复合材料坯体

3.1.1 C粉压制素坯预制件的制备

3.1.2 C/C预制件的制备

3.1.3 PCRBSC和C/SiC复合材料的制备

3.2 Si-SiC梯度过渡层制备工艺

3.3 CVD SiC涂层制备工艺

3.4材料结构与性能表征

第四章气相反应烧结C/SiC复合材料反射镜坯体的制备技术研究

4.1反应温度对PCRBSC材料性能的影响

4.2保温时间对PCRBSC材料性能的影响

4.3 C/C孔隙率对C/SiC复合材料组成和密度的影响

4.4 C/C孔隙率对C/SiC复合材料力学性能的影响

4.5 C/C孔隙率对C/SiC复合材料热学性能的影响

4.5.1 C/SiC复合材料的CTE

4.5.2 C/SiC复合材料的热导率

4.6本章小结

第五章CVD工艺制备SiC涂层技术研究

5.1 CVD SiC涂层制备工艺研究

5.1.1沉积温度对SiC涂层沉积的影响

5.1.2稀释气体种类及流量对SiC涂层沉积的影响

5.1.3系统压力对沉积速率的影响

5.1.4沉积时间对沉积速率的影响

5.2 CVD SiC涂层组成及结构分析

5.2.1沉积温度对CVD SiC涂层组成及结构的影响

5.2.2稀释气体对CVD SiC涂层组成及结构的影响

5.2.3系统压力对CVD SiC涂层组成及结构的影响

5.3 CVD SiC涂层的性能

5.3.1 CVD SiC涂层的密度

5.3.2 CVD SiC涂层的弹性模量及显微硬度

5.3.3 CVD SiC涂层的光学加工性能

5.4本章小节

第六章Si-SiC梯度过渡层的制备技术研究

6.1 Si-SiC材料配方与烧结密度及力学性能的关系

6.2不同配方的Si-SiC材料的组成及结构研究

6.2.1不同配方Si-SiC材料XRD分析

6.2.2 Si-SiC梯度过渡层显微结构分析

6.3 Si-SiC材料配方对其热膨胀系数的影响

6.4 C/SiC坯体表面Si-SiC梯度过渡层的制备

6.4.1 C/C素坯两步渗Si制备工艺

6.4.2 C/C素坯一步渗Si制备工艺

6.4.3两种制备工艺比较

6.4.4 Si-SiC梯度过渡层与CVD SiC涂层的结合性能

6.5本章小节

第七章轻质C/SiC复合材料反射镜的制备技术研究

7.1小尺寸C/SiC反射镜试样制备研究

7.2中等尺寸C/SiC反射镜的制备

7.2.1实心结构椭圆反射镜

7.2.2背部开口结构椭圆反射镜

7.2.3蜂窝夹芯结构高能激光反射镜

7.2.4圆形能动镜

7.3大尺寸C/SiC反射镜的制备

7.3.1尺寸稳定性

7.3.2 Φ610 mm C/SiC反射镜的制备

7.3.3 600×480mm C/SiC反射镜坯体的制备

7.4 C/SiC复合材料反射镜研究展望

7.5本章小结

第八章结 论

参考文献

攻读博士学位期间取得的学术成果

致 谢