碳化硅 (SiC) 在大口径光学反射镜中的应用主要得益于其高比刚度、优异的热稳定性和宽光谱响应，使其成为空间观测和深空探测等领域的核心材料。以下是its应用中的关键进展和技术突破:
优点:
高硬度:碳化硅 (SiC) 具有20-30 GPa (维氏6-7) 的硬度，使其高度耐磨损和机械损坏。
优异的导热性: 具有370 W/(m·K) 的热导率，SiC高效散热，这对于高功率光学应用至关重要。
低热膨胀:SiC的热膨胀系数为4.3x10 ^-6/°C，可最大程度地减少热变形并在不同温度下保持光学精度。
最高工作温度高:SiC可以承受高达1600 °C的温度，使其适用于高温环境。
化学稳定性:SiC对高温，酸和碱 (氢氟酸除外) 的腐蚀具有很高的抵抗力，可确保在恶劣条件下的耐用性。
轻量级:SiC比传统光学材料轻约70%，这有利于重量敏感的应用。
光学透明度:SiC具有良好的光学透明度，特别是在紫外 (UV) 范围内，使其适用于UV光学应用。
精密抛光:SiC可以进行高精度抛光，这对于高质量的光学表面至关重要。
莫氏7
特性 | 碳化硅 (SiC) | 玻璃陶瓷 | 熔融石英 |
材料类型 | 陶瓷/半导体 | 玻璃陶瓷 | 无定形二氧化硅 |
硬度 | 20-30 GPa (维氏) | 莫氏6-7 | |
导热系数 | 370瓦/(m·K) | 1.5 W/(m·K) | 1.4 W/(m·K) |
热膨胀系数 | 4.3 × 10-6/℃ | ≈ 0 (零膨胀) | 5.4 × 10-7/℃ |
最高工作温度 | 1600 ℃ | 800 ℃ | 1100 ℃ |
化学稳定性 | 耐酸碱 (HF除外) | 耐高温腐蚀 | 耐酸 (HF除外)，可能在高温下软化 |
轻量级能力 | 高 (70% 轻) | 弱 | <p style="vertical-align: top ">弱 |
光学性能 | 需要涂层 | 良好的透光性 | 最好的紫外线范围 |
加工难度 | 复杂 | 可精密抛光 | 易于加工但易碎 |
典型应用 | 半导体 | 望远镜、陀螺仪 | UV光学，实验室器具 |
成本 | 高 | 中 | 低 |
制造业的技术突破
镜子毛坯准备:使用类似于 “制作豆腐” 的胶体成型工艺，将微米级的碳化硅粉末成型为镜坯，支撑复杂的轻质结构。三种制备工艺路线如下图所示:
光固化/激光烧结成型 → CVD致密化
| <p style="vertical-align: middle ">工艺路线 | 反应烧结 (rb-sic) | 化学气相沉积 (cvd-sic) | 3D打印CVD复合材料成型 |
原材料 | 碳化硅粉末碳粉粘结剂 | 气态前体 (CH₃SiCl₃/H₂) | 碳化硅浆料/光敏树脂SiC纳米粉体 |
成型方法 | 压缩/注射成型 → 高温烧结 (1600-2000 °C) | 石墨基底上的气相沉积 (1200-1400 °C) | |
轻质结构 | 蜂窝孔的机械加工 (减重: 50%-60%) | 蜂窝/泡沫结构的直接沉积 (重量减轻: 70%-80%) | 拓扑优化设计 + 中空3D打印 (减重: >80%) |
| 92%-95% (残余孔隙需浸渍填充) | > 99.9% (全密度) | 85% (打印部件) + CVD致密化至99% |
| 烧结后: Ra ~ 1 μ m (要求机械抛光至Ra <5 nm) | 沉积层: Ra ~ 10 nm (要求离子束抛光至Ra <0.5nm | 印刷层: Ra ~ 20 μ m (要求CVD层抛光至Ra <1 nm) |
| 4.5 × 10再生/°C (略高于cvd-sic) | 4.3 × 10再生/°C (各向同性) | 与cvd-sic相当 |
典型尺寸 | 直径 ≤ 2米 (受烧结炉限制) | 直径 ≤ 4米 (分段沉积和拼接) | 理论上无限 (模块化印刷和拼接) |
