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【原創(chuàng)】4米的碳化硅“大眼睛”是怎么煉成的?——訪中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密器械與物理研究所研究員王孝坤


來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   梧桐

[導(dǎo)讀]  本期,我們分享的是中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員王孝坤的專訪。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  7月9日,由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的“2024高端研磨拋光材料技術(shù)大會(huì)”在河南鄭州成功召開(kāi)。會(huì)議期間,我們邀請(qǐng)到多位專家學(xué)者、企業(yè)家代表做客“對(duì)話”欄目,圍繞高端研磨拋光材料的技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向進(jìn)行了訪談交流。本期,我們分享的是中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員王孝坤的專訪。



中國(guó)粉體網(wǎng):王研究員,您好,請(qǐng)問(wèn)與傳統(tǒng)材料相比,碳化硅作為空間反射鏡材料具有哪些優(yōu)點(diǎn)?


王研究員:碳化硅材料它的優(yōu)勢(shì)是很多的,主要有兩點(diǎn)。第一個(gè)我們叫比剛度,什么叫比剛度呢?就是剛度比上密度,剛度越大,密度越小,它的兩個(gè)值一比,越大說(shuō)明這個(gè)材料的比剛度越高。第二個(gè)是熱穩(wěn)定性,熱穩(wěn)定性的定義是什么呢?就是它的熱導(dǎo)率比上它的線脹系數(shù)。熱導(dǎo)率越大,線脹系數(shù)越小,這個(gè)材料的熱穩(wěn)定性越好。


跟傳統(tǒng)的玻璃和金屬等材料相比,碳化硅材料的比剛度和熱穩(wěn)定性,它的優(yōu)勢(shì)非常明顯。所以我們可以說(shuō)碳化硅是空間反射鏡的首選材料。


中國(guó)粉體網(wǎng):王研究員,碳化硅材料在制作反射鏡的過(guò)程中存在哪些加工難點(diǎn)?應(yīng)該怎么解決?


王研究員:大家都知道,碳化硅材料非常硬,硬度僅次于金剛石,所以在加工過(guò)程中難度非常大。再一個(gè),鏡坯燒結(jié)完以后,精度是非常粗糙的。所以我們需要采用很多加工方法,實(shí)現(xiàn)從毫米、微米再到納米的跨越。比如說(shuō)傳統(tǒng)的數(shù)控研磨以及應(yīng)力盤拋光、磁流變拋光、離子拋光等很多種加工方法。在加工過(guò)程,為了確保加工進(jìn)度,每個(gè)階段還要進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的難度也是非常大的,因?yàn)橹挥袡z測(cè)得準(zhǔn),才能加工得準(zhǔn),所以我們也發(fā)明了很多檢測(cè)手段,包括子孔徑拼接、計(jì)算全息補(bǔ)償,這都是我們需要對(duì)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行的攻關(guān)。


中國(guó)粉體網(wǎng):王研究員,碳化硅反射鏡的精密加工技術(shù)有哪些?


王研究員:碳化硅加工技術(shù)有很多階段,每個(gè)階段都有不同的技術(shù),銑磨階段采用銑磨機(jī)床,其實(shí)跟機(jī)械加工差不多,主要是粗加工。后面我們還需要研磨、粗拋光、精拋光,這些技術(shù)里面就分了很多種,比如CCOS(計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù))、應(yīng)力盤拋光、氣囊拋光,還有更高精度的磁流變拋光、離子束拋光,所以碳化硅的加工技術(shù)是多手段的組合加工技術(shù)。


中國(guó)粉體網(wǎng):王研究員,您認(rèn)為未來(lái)大口徑碳化硅反射鏡發(fā)展的技術(shù)趨勢(shì)是怎樣的?


王研究員:我覺(jué)得主要有四個(gè)方面。第一個(gè)是材料的超輕量化。我們上天發(fā)射的話,反射鏡重量每增加一克,發(fā)射就增加一克黃金的代價(jià)。所以說(shuō)反射鏡要做的越來(lái)越輕,在輕量化方面我們還需要做很多工作,既要做得很輕,還要保證各項(xiàng)性能符合要求。


第二個(gè)是加工檢測(cè)手段方面,原來(lái)我們追求加工檢測(cè)手段標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化,現(xiàn)在我們要向智能化的方向發(fā)展。


第三個(gè)是多狀態(tài)一致性。鏡體是在地面上加工完成,但是到天上,在沒(méi)有重力或者微重力狀態(tài)下,鏡體肯定發(fā)生變形,除了加工,有時(shí)候檢測(cè)的狀態(tài)也不一致,所以我們需要攻克多狀態(tài)一致性的加工檢測(cè)技術(shù)。


剛才我們說(shuō)了反射鏡受衛(wèi)星包絡(luò)的影響和加工檢測(cè)能力的限制,不可能做到無(wú)限大,地基的反射鏡現(xiàn)在最大的是玻璃的,能做到八米四。天上的話我們現(xiàn)在在突破四米。受到包絡(luò)的限制,以后我們將采用分塊拼接式加工。在地面上組裝調(diào)整好,收起來(lái),然后發(fā)射到天上像傘一樣把它撐開(kāi)。


但是這樣的話就帶來(lái)很多困難。因?yàn)榉瓷溏R是曲面的,如果是平面的話,展開(kāi)就是平坦化的。但是我們這個(gè)曲面是一個(gè)非球面,它每一點(diǎn)的曲率都不一樣,我們?cè)趺幢WC加工過(guò)程當(dāng)中的曲率一致性?我們不光要實(shí)現(xiàn)共焦,還要達(dá)到共相的精度,這是非常難的,還需要加強(qiáng)這方面的研究。


中國(guó)粉體網(wǎng):王研究員,請(qǐng)問(wèn)您團(tuán)隊(duì)在碳化硅反射鏡的高精度制造方面取得了哪些成果?


王研究員:我們團(tuán)隊(duì)的成果主要圍繞四個(gè)方面。第一個(gè)就是這個(gè)鏡坯材料制備方面,國(guó)際上最大口徑是一米五,我們現(xiàn)在制造的口徑達(dá)到了四米,是目前世界上最大的尺寸。第二個(gè)是在加工檢測(cè)方面,根據(jù)加工的各種方法,比如剛才我提到的離子束拋光、應(yīng)力盤拋光,我們開(kāi)發(fā)了多手段組合加工方法。在檢測(cè)技術(shù)方面,我們開(kāi)發(fā)了很多檢測(cè)的技術(shù)和裝備,包括我們這個(gè)子孔徑拼接、計(jì)算全息補(bǔ)償?shù)龋覀兘锌绯叨鹊亩喾椒ńM合檢測(cè)技術(shù)。


第三個(gè)是鍍膜改性方面。因?yàn)檫@么大的反射鏡,我們需要改性鍍膜。我們采用面朝上(Face Up)的形式,對(duì)鏡體進(jìn)行鍍膜。四米大的鏡子,膜層要控制在5%以內(nèi)。在全波段的話,從紫外到紅外可見(jiàn),平均反射率要達(dá)到95%以上還是非常困難。


第四個(gè)的話就是在這個(gè)全鏈條的制造裝備方面。從材料的加工、檢測(cè)到鍍膜,所有的裝備都是我們自己研制的,也是自主可控的。相應(yīng)地,我們獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng),軍隊(duì)的、省部級(jí)的各種獎(jiǎng)勵(lì)幾十項(xiàng)。


中國(guó)粉體網(wǎng):感謝王研究員接受我們的采訪!


(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐)

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