“登高望远”是从古至今都很常用的一个成语，直译就是登上高处，看得更远。不过在21世纪的今天，人类的眼界早已越过高山，直达宇宙。因此，对地观测、深空探测等领域迅速发展了起来。

要望那么远，就离不开远距离多光谱光学系统，其中“大尺寸光学反射镜”会起到不可或缺的作用，在国防应用、监控和监测以及部分商业应用都能看到它的身影。例如，大尺寸光学反射镜最常见的应用是航空航天行业，常用于卫星和望远镜。另外大尺寸光学反射镜也可以集成到飞行器的光学系统中，如大型无人机系统。最后，利用红外线对农田温度进行远距离空中监测也是一项有趣的商业应用。

一、光学反射镜的制备要求

之所以要用到大尺寸光学反射镜，是因为增加光学反射镜坯的口径是有效增加光电成像系统分辨率及探测能力的重要方法之一。然而，光电载荷对于重量有严格限制，此外，用材必须能确保系统可在复杂的环境下正常工作。

因此，对于大口径光学反射镜而言，其材料的选择与制备都必须满足极为严苛的要求。具体如下：

①选择低密度轻量化材料，其一方面能够满足空间遥感相机对载荷提出的低重量要求，可以减少卫星发射成本，另一方面可以减轻地基望远镜由于自重引起的镜面变形。

②具备高比刚度及优异的综合力学性能。高比刚度能够避免反射镜自重、装配应力及卫星发射段的冲击振动等对镜面造成的影响，同时高的断裂韧性也有利于实现光机功能一体化，减少由于支撑部件与反射镜材料性能不匹配造成的应力积聚。

③具有良好的热稳定性。空间相机及地基望远镜的服役温度环境恶劣，材料的导热性能好、热膨胀系数低，能减少反射镜热畸变，保证光电成像系统的成像质量。

④耐空间粒子辐照，可延长空间反射镜材料的使用寿命。

⑤材料的加工及制备成本低。

二、反射镜材料的选择

目前，反射镜材料主要包括玻璃材料、低膨胀金属材料、陶瓷材料以及复合材料等。

1、玻璃材料

玻璃材料是第一代反射镜材料，常用的有ULE和ZEROUR等。玻璃材料的热膨胀系数很低，且光学加工性能优良，但玻璃材料的热导率低，比刚度较差。其中，ULE（零膨胀玻璃）是一款二氧化钛-硅酸盐玻璃，它在极端温度变化下几乎没有任何尺寸变化，具有优异的热稳定性能，并且能够通过高温熔接、封接等工艺制成封闭式结构，极大地弥补了材料力学性能的差距，这是其他三种材料所不具备的。因此，凭借卓越的稳定性成为了很多天文学应用的首选材料。

由康宁公司的7941 ULE零膨胀玻璃高温熔接而成的HST主反射镜

康宁生产哈勃望远镜时就采用ULE玻璃制成的轻量化反射镜，为南北双子（Gemini）和昴星团望远镜（Subaru）生产了8米级单片反射镜，并参与了其他具有重大历史意义的研究项目。由于ULE玻璃优异的稳定性，哈勃望远镜捕捉到了迄今为止最远的宇宙视图，让科学家观察到超过130亿光年距离的景象。

美国SNAP（SuperNova Acceleration Probe）空间望远镜在镜体材料选择阶段，也曾对ULE、Zerodur、SiC三种材料进行对比分析，并最终根据力、热性能的比较结果确定了ULE蜂窝夹芯结构的主镜设计方案。

2、金属材料

第二代反射镜材料是低膨胀金属材料，主要包括Al和Be等，一般通过锻造方式获得。金属材料的导热性能优良，但热膨胀系数相对较大，其面形精度容易受温度影响。同时Al的比刚度低，而金属Be虽然比刚度较高但有毒，对人体会产生致命损害，因此，在生产过程中需要有严格的安全措施。但是金属材料具有加工工艺性好、材料价格低等优势，因此也逐渐获得应用。

金属铍反射镜

值得一提的是，由于传统机械加工方式的限制，金属反射镜很难同时满足轻质和高刚度的需求，因此基于增材制造的金属反射镜技术应运而生，若应用拓扑优化思想，那在理论上就能获得增材制造金属反射镜的最优结构形式与面形精度。

但是增材制造金属反射镜由于加工设备和工艺的限制，无法制备大口径反射镜，同时，其比刚度也弱于碳化硅材料，因此在大口径反射镜的设计与制备上不具备优势。

3、碳化硅材料

碳化硅材料属于第三代反射镜材料，该材料化学稳定性好、耐空间粒子辐照性能优异、热膨胀系数低、弹性模量高，且具有较好的导热性能，表面改性后面形精度可以达到可见光级精度要求，因此是航空航天领域中最常用的反射镜材料。

有关资料表明，碳化硅质反射镜与微晶玻璃镜体相比，其轻量化程度大于70%，重量减轻近一半，面形变化比微晶玻璃小1倍，且可进一步进行优化。因此碳化硅也成为大口径反射镜镜坯材料中的佼佼者。如2018年7月时，中国科学院长春光学精密器械与物理研究所就完成了4.03米大口径碳化硅反射镜研制，是当时世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。

4米量级碳化硅反射镜

但是碳化硅反射镜，从镜坯成形，到最终的表面改性、抛光，其加工工艺路线繁琐，加工周期较长，很难满足快速性的要求，同时成本较高。

4、纤维增强碳化硅复合材料

碳化硅是陶瓷材料，是陶瓷材料就难逃“脆性”这一发展瓶颈。同时，碳化硅材料的莫氏硬度很高，导致材料加工难度大、成本高。为进一步提高反射镜材料的轻量化程度，解决陶瓷材料脆性大的问题，纤维增强碳化硅复合材料应运而生。如此一来，纤维的引入就能够有效延长裂纹扩展路径、降低碳化硅陶瓷基体对裂纹的敏感性、提高材料的断裂韧性，同时密度也更低。

纤维的种类、长度、体积分数、编织方式都会影响复合材料的性能。目前用于纤维增强碳化硅复合材料的纤维主要有碳纤维和碳化硅纤维。

①碳纤维增强碳化硅复合材料的制备成本较低，国外纤维增强碳化硅反射镜发展较早，目前的制备工艺较为成熟。德国、日本、美国等国家已将C/SiC复合材料成功应用于光电成像系统，且反射镜背板的壁厚最低能够达到1 mm左右。

德国ECM公司商用化的Cesic®材料，以无序短切碳纤维毡为增强相，通过浸渍酚醛树脂、碳化、石墨化、渗硅反应烧结等工序得到近净尺寸成型的致密C/SiC反射镜坯。针对大口径及复杂形状反射镜坯，可利用粘接工艺将C/C素坯相连接（如下图所示），随后进行渗硅反应烧结。碳化的酚醛树脂与液相硅反应生成的碳化硅，可确保界面连接处与基体的组分基本一致。采用碳化硅浆料涂敷技术对反射镜坯表面进行处理，可使通过后续加工的反射镜具有符合要求的表面粗糙度。

六部分连接组成的镜坯

②碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有更高的抗弯强度及弹性模量，同时可以显著提高材料的耐高温和抗高温氧化性能。美国MER公司采用SiC纤维制备出的SiC-SiC复合材料的断裂韧性高达20 MPa/m^1/2，弹性模量达300 GPa，如下图所示。该反射镜的面密度低至6 kg/m²，表面粗糙度优于1 nm。

但在国内，碳化硅纤维增强碳化硅复合材料商业化生产尚不成熟，成本较高，且碳化硅纤维较脆，编织困难，这也成为目前限制其工业化发展的重要因素。

 

资料来源：

纤维增强碳化硅及其在光学反射镜中的应用，张巍，张舸，郭聪慧，范天扬，徐传享。

超大口径反射镜技术的研究进展，张博文，郭崇岭，刘红，程云涛，付强强。

增材制造金属反射镜的发展综述，谭淞年，丁亚林，许永森，刘伟毅。

 

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