今天，我们向大家介绍的就是---长春光机所研制的特大口径碳化硅反射镜坯。 

 

 

碳化硅作为新一代光学反射镜材料，具有比刚度大、热导率大、热膨胀系数小、热稳定性能好等优异综合性能。加之具有良好的光学加工、环境适应性强等特性，可以在较宽谱段上获得优异的成像质量，空间科学技术强国均将其列为建造空间光学设施最佳候选材料之一。国外碳化硅反射镜的研究与应用，源自上世纪八十年代，最具有代表性的产品是欧洲空间局(ESA)建造的Herschel空间望远镜，于2009年成功发射。其主镜为由12块碳化硅子镜拼接而成，形成3.5m主反射镜，镜坯重量仅为210kg（哈勃望远镜口径2.4m，主反射镜采用ULE玻璃，重量达828kg）。  

2002年初，长春光机所赵文兴研究员申请到了所里创新项目经费的支持，在国内碳化硅反射镜坯制备技术几乎一片空白的条件下，带领课题组开始探索碳化硅反射镜坯研制技术。镜坯的轻量化结构复杂，而碳化硅是一种超硬陶瓷，机械加工难度大，风险高。为了突破这些技术应用限制，赵文兴研究员提出了采用凝胶注模成型结合反应烧结工艺路线 。经过长达20年大量基础性的研究工作，课题组先后突破了一个又一个关键技术，建立了超大尺寸碳化硅反射镜坯制备实验室。课题组掌握了1m量级、2m量级、3m量级、4m量级背部半封闭轻量化结构的碳化硅反射镜材料制备关键技术，成功制备出多块1.5m、2.0m、2.4m、3.0m、4.03m大尺寸碳化硅反射镜坯，并应用于多个型号项目中。为我国首颗自主研发的商用遥感卫星“吉林一号”卫星提供的子直径0.624m碳化硅主反射镜，在轨服役质量优异，获得使用方的一致好评；研制成功的2.04m口径碳化硅反射镜用于国内地基望远镜，开启了大口径碳化硅反射镜在国内地面对空探测技术的应用，为国内地基更大口径望远镜的研究与探索拓展了一条新的思路。2016年4月成功制备出用于可见光波段成像的4.03m碳化硅反射镜坯，该镜坯是世界已公开报道最大尺寸碳化硅反射镜坯，同年4月22日课题组荣获中科院长春光机所“碳化硅材料”重大创新突出贡献奖。2018年8月21日中科院长春光机所研制的4.03m碳化硅镜坯通过了国家部级部门组织的专项验收。2018年10月30日，经过吉林省技术产权交易中心组织召开的科技成果评价评审会，与会专家经实地考察、质询和讨论后，一致认为“超大口径/超轻量化碳化硅反射镜坯研制技术”科学技术成果技术难度大，创新性强，取得了多项自主知识产权，打破发达国家对我国碳化硅反射镜坯制备技术封锁和材料禁运，项目总体技术水平国际先进，其中3m整体一次性成型和4m一体化连接制备技术居于国际领先地位。

4.03m碳化硅镜坯及研制团队

应用价值及意义

中科院长春光机所完成目前世界上最大口径碳化硅单体反射镜研制，这一成果有哪些意义呢？2018 年 8 月 21 日，中科院长春光机所研制的 4.03 米大口径碳化硅反射镜成功通过验收，这也是公开报道的世界上最大口径碳化硅单体反射镜。这一成果标志我国光学系统制造能力跻身国际先进水平，为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。

毫无疑问，这是一件了不起的事情。那么第一个问题就是，做大口径有什么好处？对于望远系统来说，口径与分辨率成正比。口径越大、分辨率越高，通俗一点说就是“看得更清楚”。而无论是在科学研究还是军事战略上，看得更清楚的好处自然是不言而喻的。

 

 

第二个重要的问题是，为何要用碳化硅这种特殊的材料？对于镜坯材料的选择，主要要考虑比刚度和热稳定性等几个因素，都要越大越好。热稳定性比较好理解，是指材料受环境温度变化所受的影响大小。这里简单解释一下比刚度的概念，“刚度”是指材料在受力时抵抗变形的能力，“比刚度”则是指刚度与质量的比值；比刚度越高，就意味着相同刚度下重量更轻。比刚度好的材料可以保证面型的稳定，有利于减轻系统重量。一般用于制作反射镜基体的材料有微晶玻璃、石英玻璃等，其中碳化硅的比刚度和热稳定性是最好的，所以我们选择了使用碳化硅制作镜坯。

第三个问题就是，大口径碳化硅反射镜加工难度有多大？其实无论何种材料，本身大口径反射镜的加工就是极其困难的，镜坯制作、光学表面成型、磁流变抛光、面型检测、镀膜等等流程，每一步都是巨大的技术挑战。而比起其他材料，碳化硅的加工更为困难，因为在常见材料中，碳化硅的硬度仅次于金刚石。

 

                          4.03m碳化硅反射镜

 

长春光机所先进光学与结构材料研究团队目前有科研人员29人，团队在碳化硅新一代光学材料领域进行长达十几年科研工作，经过8年刻苦攻关，团队于2016年完全自主成功研制4m量级单体碳化硅反射镜坯，超越欧空局Herschel大型红外天文望远镜3.5m口径主反射镜，成为目前业界报道的最大口径碳化硅反射镜坯，而且该镜坯可用于对光学面型精度要求更苛刻的可见光波段，使我国碳化硅光学材料研制技术处于国际领先地位。

我们的科研工作者就这样一步一步把所有的困难克服，十几年磨一剑，最终制成了世界上最大的碳化硅单体反射镜。这不仅仅是做了一个反射镜，而是走通了一条路，其中沉淀下来的经验、设备都标志着我国光学系统制造能力已经迈上了一个新的台阶。

（供稿：业务拓展处      撰稿：王磊    审核：秦广明     编辑：赵智）