引 言

　　随着空间应用技术、激光技术和能源开发技术的迅猛发展，对耐热高强结构材料的需要越趋迫切。如：航天器的喷嘴、空间遥感器上的光学系统、航天相机以及在高频、大功率、耐高温、抗辐照条件下的半导体器件及紫外探测器等。非氧化物系新型材料碳化硅(silicon carbide(SiC))具有较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数和耐热冲击性、高的比刚度、高度的尺寸稳定性及热性能与机械性能的各向同性等一系列优良的物理化学性能，使世界各航天大国的研究者均将其列为空间光学遥感器优选的反射镜材料[1,2]。

　　我国在 SiC 材料的研究方面基本上与国际同步，由于 SiC 的莫氏硬度高(莫氏硬度为 9.25, 接近金刚石硬度)[3]，其光学加工难度大，特别是在 SiC 超光滑表面(表面粗糙度 RMS<1nm)加工工艺技术上还有待进行大量的研究。我们运用 H016 型四轴透镜抛光机，通过自由研磨、古典法粗抛光和浴法超光滑抛光相结合的方式，在对角线为 110mm 六边形反应烧结轻质碳化硅平面反射镜上进行超光滑表面光学加工，使SiC表面面形误差均方根值(RMS)达 0.011 波长( =632.8 nm),表面粗糙度 RMS=0.75nm 的精度。

　　1 SiC 超光滑表面光学加工工艺

　　SiC 的光学加工流程和一般光学零件的加工工序大致相同，其工艺流程为：毛坯的烧结成型 粗磨磨平 精细研磨 粗抛光 超光滑抛光检测。以下分别对各个加工流程进行介绍。

　　1.1 烧结成型

　　为了满足航天仪器轻量化要求，直接将SiC 毛坯烧结成图1 所示的结构。烧结材料致密性的好坏通过对工件进行光学加工，所能达到的表面粗糙度、表面面形精度和表面质量来加以验证。

　　1.2 粗磨磨平

　　粗磨磨平采用的是对研方法，即用两块相同反应烧结的SiC 进行对研，对研时分别加入不同粒径的散粒SiC 磨料依次进行研磨，加工过程中用刀刃平尺检验整个工件表面的磨削情况，刀刃平尺与工件磨削面之间应无光线漏过。

　　1.3 精细研磨

　　此道工序的目的是为了进一步提高工件粗磨面形精度，降低表面粗糙度，有效地去除粗磨给工件表面所留下的凹凸层和下表面破坏层。采用更细的散粒SiC 磨料，在铸铁磨盘上进行精细研磨。因铸铁盘的硬度(莫氏硬度为 7.5-8)比 SiC 的硬度小，所以在精细研磨过程中用刀刃平尺随时对铸铁盘表面的磨削情况加以检测，发现铸铁盘变凹、变凸应及时进行修正。一般通过修改铸铁盘表面面形、调整工件磨削位置和机头的摆幅大小来控制工件表面面形;也可将工件表面大致粗抛光，待表面略有光泽时用自准直干涉仪检验工件表面的面形情况，根据检测结果返回到铸铁盘上进行修正。为了给抛光工序提供更好的工件表面质量，在细散粒 SiC 磨料进行精细研磨过程中，注意控制水和磨料的浓度，特别是加入最后一次磨料时，应待磨料充分磨细后才将工件取下，从而使精细研磨后的工件表面无划痕、表面细腻无麻点。

　　1.4 粗抛光

　　工件开始进行粗抛光时，机床转速、工件压力可以略大些，所取参数值为 30r/min 和 40N，抛光盘采用硬度较高的掺入松香的沥青盘。因 SiC 的硬度高，与抛光其它材料的工件相比,面形变化要缓慢些，一般情况下一个小时左右，用干涉仪检验面形变化情况，并根据检验结果及时调整上、下盘位置和抛光机机头摆幅的大小来修正工件面形。粗抛光磨料选用的是金刚石微粉，在抛光过程中应尽可能的少加磨料，每一次加入的磨料完全磨细以后，检验工件表面的面形变化情况，对机床进行调整后再加入磨料进行抛光。随着对工件表面面形的逐步修正，光圈不断减少，工件表面抛光为凹1个光圈左右时进入下一道工序。

　　1.5 超光滑抛光

　　超光滑抛光的目的是在保证工件表面面形的情况下，降低工件表面粗糙度值。采用浴法抛光法对 SiC表面进行超光滑抛光，其浴法抛光原理如图2 所示[4]。

　　由于超光滑抛光是依赖磨料精细度的机械磨削、利用物理和化学方法去除工件表面原子达到工件表面的超低粗糙度值。实际在抛光过程中，抛光胶盘的软硬和厚薄、机床转速、工件压力大小、抛光磨料的粒径大小和均匀性以及抛光液的酸碱性、抛光液粘度、抛光液温度等诸多工艺因素均对抛光工件表面粗糙度值有其重要的影响。如抛光液粘度将直接影响抛光液的流动性和传热性。抛光液的粘度增加，则流动性减小，传热性降低，使抛光液分布不均匀，从而造成工件表面去除率不均匀，大大降低工件表面质量[5]。抛光磨料的粒径大小、抛光液的均匀性对加工工件表面的粗糙度影响最大。我们采取如下措施：在超光滑抛光加工 SiC 镜面时，对所使用的抛光磨料进行研磨处理，使磨料粒径分布更加均匀;对超光滑抛光胶进行分层过滤处理，充分去除抛光胶杂质。在整个超光滑抛光过程中，虽然工件表面面形变化很小，也需对机床参数随时进行调整，修正工件表面面形。图3 为超光滑抛光后实物照片。

　　2 检测结果

　　通过 ZYGO New 2000 粗糙度仪和 ZYGO 干涉仪检测，反应烧结的轻质SiC 平面反射镜的表面粗糙度RMS 值达 0.75-0.93nm (测量区域为 690ìm×510ìm)(见图4)，面形精度 RMS 值为 0.011 波长(见图5)。

　　3 加工技术评价

　　近几年，世界各航天大国都在进行各种轻质 SiC 反射镜制备技术和光学加工技术等方面的研究并取得了惊人的成绩,其中美国的POCO 公司、Eastman Kodak 公司、LittoNItek 公司等已经逐步实现 Sic平面光学反射镜的产品化[6]。表1 列出了部分公司目前加工 RB-SiC 反射镜所达到的精度。

　　我们采用连续抛光机的原理，结合超光滑表面加工的浴法抛光法，通过对反应烧结 SiC 这种高硬度材料的分析，合理选择抛光磨盘材料和加工辅料，优化各个工艺参数，探索出适合硬质材料光学元件表面的超光滑、高精度面形的加工工艺方法。

　　结束语

　　通过对小口径反应烧结轻质碳化硅平面反射镜超光滑表面工艺技术研究，积累了硬质材料的光学表面加工工艺经验，为加工 200mm 口径以上的轻质碳化硅平面反射镜、球面反射镜或其它一些硬质材料的超光滑表面加工提供了有效的工艺技术基础，为我国空间光学系统的发展提供可靠的技术保障。

　　致谢：感谢中国科学院光电技术研究所方敬忠研究员，刘红先生所提供的材料和对本试验的关心和支持。

　　参考文献：

　　[1] BLOCH J R，DRAKE R J. Silicon carbide makes superior mirrors[J]. Laser Focus World，1989，28(3)：97-105.

　　[2] ANAPOL M I, GLASHEEN R R. Silicon carbide lightweight telescopes for advanced sPACe applications[A]. SPIE 1994International Symposium on Space Optics and Spacecraft Optics[C]. Garmisch-Partenkirchen,FRG：SPIE，1994. 373-382.

　　[3] 范 镝，张学军，张忠玉, 等. 反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工[J]. 光学技术，2003，29(6)：667-668, 674.FAN Di, ZHANG Xue-jun, ZHANG Zhong-yu, et al Optical surfacing of flat reaction-burned silicon carbide mirror[J]. Opticaltechnique，2003，29(6)：667-668，674.

　　[4] 杨 力. 先进光学制造技术[M]. 北京：科学出版社，2001.YANG Li. Advance optical manufacturing techniques[M]. Beijing：Science Press, 2001.

　　[5] 徐清兰，伍 凡，吴时彬，等. 单晶硅镜面超光滑表面工艺技术研究[J]. 光电工程，2003，30(5)：69-72.XU Qing-lan, WU Fan, WU Shi-bin, et al.Study on technologies and techniques for processing super-smooth surface ofsingle-crystal silicon[J]. Opto-Electronic Engineering，2003，30(5)：69-72.

　　[6] 范 镝，张忠玉，牛海燕，等.碳化硅光学镜面加工[J]. 硅酸盐学报，2003，31(11)：1096-1100.FAN Di, ZHANG Zhong-yu, NIU Hai-yan，et al. Surfacing Fabrication of Silicon Carbide Optical Mirror[J]. Journal of thechinese ceramic society，2003，31(11)：1096-1100.

　　[7] 范 镝，张忠玉，牛海燕，等. 反应烧结碳化硅球面反射镜的光学加工与检测[J]. 光学技术，2004，30(1)：6-8.FAN Di，ZHANG Zhong-yu，NIU Hai-yan，et al. Optical surfacing of spherical reaction-burned silicon carbide(RB-SiC)mirror[J]. Optical technique，2004，30(1)：6-8.

　　作者简介：徐清兰(1965-), 女(汉族), 四川巴中人, 高级工程师, 主要从事先进光学制造技术、特殊材料光学加工工艺技术的研究。E-mail：Xu-qinglan@163.com

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