一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜及其制备方法。所述方法包括：将表面包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉末作为打印粉末，采用增材制造技术根据梯度多孔的三维结构打印碳化硅素坯；碳化硅素坯中碳化硅的体积分数沿着Z轴方向线性变化；将碳化硅素坯进行高温裂解处理得到碳化硅陶瓷体；然后对碳化硅陶瓷体进行预氧化处理；再采用液态铝合金填充碳化硅陶瓷体得到铝基碳化硅镜坯；在铝基碳化硅镜坯的一表面上沉积SiC致密层，所述表面为碳化硅的体积分数最大的一面；对SiC致密层表面进行抛光处理，得到高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜。本发明专利技术解决了坯体与镜面的组分差异过大、结合力差、热匹配性能差的技术问题。热匹配性能差的技术问题。热匹配性能差的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜及其制备方法


[0001]本专利技术属于反射镜
，更具体地，涉及一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜及其制备方法。

技术介绍

[0002]空间天文光学、卫星遥感技术、大型地基光学系统的迅猛发展，对光学系统的工作波段、成像分辨率、热稳定性、系统质量等指标提出了越来越严格的要求，着决定了光学系统必然往反射式、大孔径、轻量化方向发展。目前传统的反射镜材料一般为种类繁多的光学玻璃材料、金属铍、金属铝、金属镍等，目前发展前景较好的新型反射镜材料为碳化硅材料。但因碳化硅质较脆、硬度大、加工性能差等缺点，导致其在加工尤其是用传统方法加工多孔结构时存在精度低、难以成型复杂的工件，特别是像反射镜这样的复杂工业件，此外还需精密的加工设备和配套刀具，使得其成本居高不下。因此，在其他条件一致的情况下，选择合适的反射镜材料对满足这些指标具有重要意义。由于铝基碳化硅具有质量轻、高热导率、低热膨胀系数、高比强度等特点，广泛应用于汽车工业、航空航天以及电子封装领域。
[0003]传统碳化硅反射镜通常采用“坯体+光学镜面(涂层)”的双层结构形式，坯体的作用是支撑和定位镜面，使镜面涂层材料的热匹配性能、轻量化结构；镜面作用保证材料的光学性能，同时还要兼顾与坯体热性能的匹配。但双层结构中坯体与镜面的组分差异过大、结合力差、热匹配性能差。
[0004]申请号为201110101412.0的专利文献公开了一种制备高体积分数铝基碳化硅颗粒增强复合材料方法，以及申请号为201110342544.2的专利文献公开了一种高体积分数的铝基碳化硅复合材料反射镜的制备方法，其选用了体积分数为70％的铝基碳化硅颗粒增强复合材料制备反射镜镜坯，但无法有效解决上述技术问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜及其制备方法，其目的在于制备高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜，由此解决坯体与镜面的组分差异过大、结合力差、热匹配性能差的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜的制备方法，所述方法包括：
[0007]S1：将表面包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉末作为打印粉末，采用增材制造技术根据梯度多孔的三维结构打印碳化硅素坯；所述碳化硅素坯中碳化硅的体积分数沿着Z轴方向线性变化；
[0008]S2：将所述碳化硅素坯进行高温裂解处理得到碳化硅陶瓷体；然后对所述碳化硅陶瓷体进行预氧化处理；再采用液态铝合金填充所述碳化硅陶瓷体得到铝基碳化硅镜坯；
[0009]S3在所述铝基碳化硅镜坯的一表面上沉积SiC致密层，所述表面为碳化硅的体积分数最大的一面；
[0010]S4对所述SiC致密层表面进行抛光处理，得到所述高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜。
[0011]优选地，所述步骤S1中，所述打印粉末通过下列方法得到：将前驱体加入有机溶剂中得到聚碳硅烷溶液，将碳化硅颗粒加入聚碳硅烷溶液中充分浸泡后去除有机溶剂，得到表面包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉末。
[0012]优选地，所述前驱体与有机溶剂的质量比为(10～1)：1，所述前驱体为聚碳硅烷、聚二甲基硅烷或异元素聚碳硅烷，其中异元素聚碳硅烷中的异元素为B、Al；所述碳化硅颗粒的粒径为0.5～120μm。
[0013]优选地，所述步骤S1中碳化硅素坯中碳化硅的体积分数沿着Z轴方向线性变化，使得碳化硅素坯上待沉积SiC致密层的表面处碳化硅的体积分数为100％。
[0014]优选地，所述步骤S2中高温裂解处理的裂解温度为1200～1600℃，升温速率为5～20℃/min，保温时间为2～6h。
[0015]优选地，预氧化的温度为900～1200℃，保温时间为1～6h。
[0016]优选地，所述铝基碳化硅镜坯中碳化硅体积分数为40～70％，铝合金的体积分数为30～60％。
[0017]优选地，所述采用液态铝合金填充所述碳化硅陶瓷体，采用AlSi10Mg铝合金，熔渗温度为700～900℃，熔渗压力3～8MPa。优选地，所述步骤S3中，沉积SiC致密层具体为采用化学气相沉积SiC致密层，所述SiC致密层的厚度为15～100μm；所述化学气相沉积的工艺参数为：载气H2流量为200～350ml/min，H2和CH3SiCl3的摩尔比为6～12：1，稀释气体Ar流量为150～240ml/min，沉积压力为1kPa以下，沉积温度为1000、1050、1100、1150、1200、1250或1300℃。
[0018]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜。
[0019]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
[0020](1)本专利技术采用增材制造技术打印具有梯度多孔结构的碳化硅素坯，且碳化硅素坯中碳化硅的体积分数沿着Z轴方向线性变化，在得到铝基碳化硅镜坯后，在其碳化硅的体积分数最大的一面上沉积SiC致密层。由此，本专利技术采用与“光学镜面”连接的“坯体”表面碳化硅的体积分数最大，即连接处通过“坯体”体积分数的梯度设置而自然过渡到SiC含量最大，一方面尽可能减小“光学镜面”与“坯体”之间的组分差异，另一方面也有效缓解坯体与涂层之间的热匹配性能，有效解决由坯体与镜面在受热情况下的剥落问题。
[0021](2)本专利技术中经过有效的结构的设计，可以灵活且有效地调控碳化硅和铝合金的体积分数，其中碳化硅体积分数为40～70％，铝合金的体积分数为30～60％。使得铝基碳化硅镜坯的密度为2.9g/cm3左右，有效降低了整体的重量，减重比例在10～15％内。
[0022](3)本专利技术尽可能的在CVD工艺制备的过程中降低SiC致密涂层的厚度，厚度在15～100μm范围内就可以满足需求。
[0023](4)本专利技术制备得到的高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜光学加工性能非常优异，光学精度可达到0.4nm RMS以下。
附图说明
[0024]图1是本专利技术优选实施例提供的高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜的制备方法流程图；
[0025]图2是本专利技术优选实施例提供的反射镜“坯体+光学镜面”双层结构的梯度成分示意图；
[0026]图3是本专利技术优选实施例提供的高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜的3D结构示意图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0028]本专利技术提供了一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜的制备方法，参见图1，所述方法包括如下步骤S1～S4。
[0029]S1：将表面包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉末作为打印本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：S1：将表面包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉末作为打印粉末，采用增材制造技术根据梯度多孔的三维结构打印碳化硅素坯；所述碳化硅素坯中碳化硅的体积分数沿着Z轴方向线性变化；S2：将所述碳化硅素坯进行高温裂解处理得到碳化硅陶瓷体；然后对所述碳化硅陶瓷体进行预氧化处理；再采用液态铝合金填充所述碳化硅陶瓷体得到铝基碳化硅镜坯；S3在所述铝基碳化硅镜坯的一表面上沉积SiC致密层，所述表面为碳化硅的体积分数最大的一面；S4对所述SiC致密层表面进行抛光处理，得到所述高比分梯度铝基碳化硅复合材料反射镜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述打印粉末通过下列方法得到：将前驱体加入有机溶剂中得到聚碳硅烷溶液，将碳化硅颗粒加入聚碳硅烷溶液中充分浸泡后去除有机溶剂，得到表面包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉末。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体与有机溶剂的质量比为(10～1)：1，所述前驱体为聚碳硅烷、聚二甲基硅烷或异元素聚碳硅烷，其中异元素聚碳硅烷中的异元素为B、Al；所述碳化硅颗粒的粒径为0.5～120μm。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中碳化硅素坯中碳化硅的体积分数沿着Z轴方向线性变化，使得碳化硅素坯上待沉积Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，刘桂宙，王长顺，欧阳震，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：