李伟 1,2张舸 1,2,*崔聪聪 1,2包建勋 1,2[ ... ]朱万利 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林长春30033
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林长春130033
增材制造结合反应烧结技术能够制备高度轻量化的碳化硅陶瓷反射镜,针对增材制造技术制备的碳化硅陶瓷存在抗弯强度低、弹性模量低等力学性能差的问题,开展高温氧化提升材料力学性能的研究。对基于增材制造的反应烧结碳化硅陶瓷试样在850 ℃下进行高温氧化处理,研究氧化时间对材料成分及表面缺陷含量的影响,阐明氧化时间对材料性能的提升机制,揭示它对材料性能的影响规律。实验结果表明:当氧化时间为2 h时,材料表面原位生长一层致密的氧化硅膜层,该膜层能够使材料表面缺陷自愈合,有效降低陶瓷材料表面缺陷的含量,此时材料获得最佳的力学性能,抗弯强度和弹性模量分别为263.9 MPa和384.75 GPa,分别提升10.7%和14.4%。该方法具有高效率、低成本和易操作的优势,为增材制造碳化硅陶瓷的性能优化提供理论指导。
增材制造 反应烧结碳化硅 氧化时间 性能优化 additive manufacturing reaction-bonded silicon carbide oxidation time properties regulation 
光学 精密工程
2023, 31(23): 3449
陈欢 1,2魏朝阳 1,2,*曹珍 1,2,**彭小聪 1,2邵建达 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心,上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049
首先基于一维双温模型阐明了飞秒激光与RB-SiC表面的相互作用过程,并在此基础上,开展了RB-SiC表面飞秒激光烧蚀规律与抛光工艺研究。结果表明,通过改变脉冲能量、扫描速度、扫描间距等参数,可实现对烧蚀深度和烧蚀表面质量的有效调控。但是通过飞秒激光抛光难以在RB-SiC切割表面上获得较高的表面质量,而对于RB-SiC预抛光表面,通过工艺参数调控,可将其表面粗糙度从36.9 nm抛光至11.56 nm,验证了飞秒激光抛光RB-SiC的可行性。
激光技术 粗糙度 反应烧结碳化硅 飞秒激光抛光 双温模型 
中国激光
2023, 50(24): 2402203
作者单位
摘要
1 长光卫星技术股份有限公司,吉林 长春 130033
2 东北大学机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110819
Overview: How to further improve the lightweight ratio of high-performance meter-level space mirrors is one of the core issues in the field of large aperture optomechanical structure design. In this paper, a primary mirror blank with a clear aperture of Φ1200 mm was developed for a high-resolution space camera, which achieves the goal of designing area density below 40 kg/m2. The SiC mirror blank was manufactured by gel injection molding and reaction sintering process, with the classical back three-point support scheme together with the testing state of the optical axis being horizontally adopted to simplify the supporting structure. Novel lightweight measures such as an alternate arrangement of main and auxiliary stiffeners and the addition of lightweight holes to vertical walls were used inside the semi-closed blank, which further improves the lightweight ratio of space mirrors with the sandwich structure. Distributed datums were proposed to replace the traditional datum setting, which reduces the machining area of datums by more than 80% and improves machining efficiency significantly. A robot arm is used for polishing in optical processing, and the local surface deformation is 47 nm in PV value under the typical polishing pressure of 1.77 kPa, with the mirror surface of 4 mm thick and the spacing between stiffener ribs of 81 mm. A parametric model of the mirror blank was built with shell elements, which contains ten variables including stiffener thickness and blank height, and integrated optimization was carried out so as to determine the optimal combination of structural parameters, using the multi-island genetic algorithm. The final design weight of the mirror blank is 46.9 kg, with corresponding area density of 38.8 kg/m2. The RMS value of self-weight deformation of the mirror blank is only 2.87 nm with its optical axis being horizontal, and the free fundamental frequency is 602 Hz, indicating that the mirror blank has good dynamic and static characteristics, which satisfies the design requirements of space cameras. After machining, the measured weight of the mirror blank is 51.3 kg, about 9.4% overweight than the design, and the facesheet is about 1 mm thicker, mainly caused by the inhomogeneity of the molding process. During the centroid position test of the primary mirror blank, the deviation between the measured and theoretical centroid position is about 3.7 mm in the axial direction and 2.0 mm in the radial direction, which can be compensated through adjustment of the supporting structure and has limited influence on the optical performance of mirror assembly. At present, the primary mirror blank has already been polished to RMS λ/8 (λ=632.8 nm) of surface shape accuracy, with no obvious print-through effect observed. The lightweight structure scheme and optimization method of the mirror blank proposed in this paper can provide an important reference for the design of similar space mirrors with the characteristics of large aperture and low areal density.
空间光学 反射镜 轻量化 大口径 反应烧结碳化硅 space optics mirror lightweight large aperture reaction bonded silicon carbide 
光电工程
2023, 50(4): 220225
作者单位
摘要
1 中国建筑材料科学研究总院有限公司, 绿色建筑材料国家重点实验室, 北京 100024
2 中国国检测试控股集团股份有限公司, 北京 100024
3 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院, 景德镇 333403
本文提出了一种简单有效的预氧化处理方法, 用来强化反应烧结碳化硅(RBSC), 研究了800~1 300 ℃预氧化处理对其微观结构和力学性能的影响, 探究了含不同尺寸压痕裂纹的材料在氧化前后残余弯曲强度的变化规律。结果表明, 随着氧化温度的升高, RBSC的室温强度和Weibull模数均存在先下降后上升, 然后再下降的趋势, 主要原因是不同温度氧化后的RBSC表面形貌不同。在1 200 ℃下预氧化2 h, RBSC的弯曲强度和Weibull模数都明显变大, 强度提升了19.9%, Weibull模数由7.3提升到11.8。然而, 800 ℃低温氧化不完全和1 300 ℃高温氧化反应过于强烈均会导致弯曲强度和Weibull模数下降。在最优氧化条件(1 200 ℃氧化2 h)下, 含压痕裂纹(载荷20 N)的RBSC试样的残余弯曲强度在氧化后由201.1 MPa提高到324.2 MPa, 强化机理是高温氧化生成的SiO2能够消除材料表面缺陷和微裂纹。
反应烧结碳化硅 预氧化 裂纹自愈合 弯曲强度 Weibull模数 维氏压痕 reaction boned silicon carbide pre-oxidation crack self-healing flexural strength Weibull modulus Vickers indentation 
硅酸盐通报
2022, 41(8): 2889
作者单位
摘要
1 重庆大学 机械与运载工程学院,重庆400044
2 中国科学院 光学系统先进制造技术重点实验室,吉林长春130033
3 哈尔滨工业大学 机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001
反应烧结碳化硅(Reaction Bonded SiC, RB-SiC)因具有密度小、导热系数大、热稳定性好等优异性能,被公认为是理想的空间大型反射镜制造材料。然其成形后在表面精密加工过程中易引入加工损伤,故本文开展柔性刻划实验,探究砂带柔性磨削工艺对该材料加工性能的影响。通过刚性/柔性两种接触状态下单颗金刚石磨粒刻划RB-SiC材料的对比实验研究,获得柔性刻划下平均亚表面损伤率为0.677,而刚性刻划下为0.823。基于此,开展不同法向压力、磨粒角度、刻划速度等条件下的正交刻划实验研究,结果表明,法向压力与磨粒角度对材料损伤的影响更为重要;同时,随着法向压力的增大、磨粒角度的减小以及刻划速度的增大,材料损伤程度增加。最后,通过多颗金刚石磨粒刻划实验研究,得出结论:与单颗金刚石磨粒刻划相比,材料表面无严重破碎及损伤,且亚表面损伤层深度小于10 μm。该研究将为砂带柔性磨削加工反应烧结碳化硅材料提供基础指导。
反应烧结碳化硅 金刚石磨粒 损伤 刻划力 RB-SiC diamond grain damage scribing force 
光学 精密工程
2022, 30(14): 1704
作者单位
摘要
西南交通大学 机械工程学院, 四川 成都 610031
分别采用截面抛光法(包括以硅片作陪衬与以聚酯作陪衬两种形式)和界面黏接法检测了反应烧结碳化硅(Reaction Bonded SiC, RB-SiC)旋转超声磨削加工的亚表面损伤。为确定其中的最佳检测形式, 采用表面破碎层深度、最大破碎层深度、平均裂纹深度、最大裂纹深度4个亚表面损伤评价指标对两种方法分别检测到的RB-SiC旋转超声磨削亚表面损伤进行对比分析。 结果显示: 截面抛光法(硅片作陪衬)检测到的4个指标值依次为3.30 μm、6.59 μm、8.64 μm、17.44 μm; 截面抛光法(聚酯作陪衬)检测到的4个指标值依次为5.71 μm、14.33 μm、15.36 μm、54.82 μm; 而界面黏接法检测到的4个指标值依次为9.19 μm、19.45 μm、13.04 μm、32.20 μm。试验结果表明, 截面抛光法(硅片作陪衬)检测的精度更高, 检测的亚表面损伤更符合实际情况。最后, 基于此方法, 对旋转超声磨削RB-SiC材料的亚表面损伤特征进行了总结。
旋转超声磨削 反应烧结碳化硅(RB-SiC)材料 亚表面损伤 截面抛光法 界面黏接法 rotary ultrasonic grinding reaction Bonded SiC(RB-SiC) subsurface damage cross-sectional polishing bonded interface sectioning 
光学 精密工程
2017, 25(10): 2714
作者单位
摘要
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
反应烧结碳化硅(RB-SiC)是一种性能良好的反射镜镜胚材料,但其固有的一些缺陷导致未经特殊处理无法获得光滑的光学表面。使用X 射线衍射(XRD)测试了反应烧结碳化硅试片的晶体结构,结果表明其主要成分为多晶态碳化硅和多晶态硅。扫描电子显微镜和原子力显微镜的测试结果指出镜胚表面残留的孔洞及抛光形成的台阶是造成散射降低光学性能的原因。通过等离子辅助沉积技术在反应烧结碳化硅表面镀制了一层硅改性层,消除了缺陷,再精细抛光硅改性层,获得了质量良好的光学表面。自行搭建的总积分散射仪对镀制硅改性层前后的反应烧结碳化硅表面进行了测量,总积分散射分别为9.37%和1.84%,改性后数值降低到改性前的1/5。反应烧结碳化硅反射镜光学性能得到了明显提高,接近抛光良好的K9 玻璃。
薄膜 反应烧结碳化硅 表面改性 总积分散射 等离子辅助沉积 
激光与光电子学进展
2014, 51(9): 093102
康健 1,2,*宣斌 1谢京江 1
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光学系统先进制造技术重点实验室,吉林 长春 130033
2 中国科学院研究生院,北京 100039
为获得高表面质量的PVD改性RB-SiC反射镜,解决实际加工中出现的表面缺陷问题,对缺陷的形成机理及处理方法进行了研究。根据Preston假设设计相关试验,推测表面缺陷是由于PVD改性层中的大颗粒结晶受到较大冲击,从而使大颗粒结晶剥落而非对其产生磨削作用而产生的。试验表明: 过高的抛光速度或过高的抛光压力会造成改性层表面缺陷的产生,调整抛光的相对速度及抛光压力等关键工艺参数,可在保持抛光效率的同时有效减少和避免表面缺陷问题的产生。经试验验证,当表面缺陷产生后,通过选择适当的相对速度和抛光压强,改性层去除0.7 μm~1 μm后,可有效修复缺陷,并且无新的表面缺陷产生。
光学加工 PVD改性(物理气相沉积法改性) RB-SiC(反应烧结碳化硅) 表面缺陷 optical manufacture PVD modified RB-SiC surface defects 
应用光学
2013, 34(6): 933
作者单位
摘要
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
合理的轻量化结构设计是降低大口径反射镜重量的实际而有效的方法, 同时可以有效减少自重等对反射镜面形精度的影响。本文以口径为 Φ1 200 mm 主镜为研究对象, 采用有限元分析作为研究手段, 根据等刚度原则, 结合实际工艺情况, 设计了两种结构形式的主镜轻量化方案。根据有限元分析结果, 确定基于反应烧结碳化硅(RB-SiC)工艺、背部半封闭结构、锥形后表面、采用扇形轻量化孔形式的结构方案为首选方案, 并成功研制出了反射镜镜坯。
大口径反射镜 反应烧结碳化硅 轻量化设计 有限元分析 large aperture mirror RB-SiC lightweight design finite element analysis 
光电工程
2012, 39(8): 123
作者单位
摘要
中国科学院 长春光机学精密机械与物理研究所 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,吉林长春130033
研究了轻型碳化硅质反射镜坯体制造技术,讨论了制备工艺中的关键环节。提出了一种先进的消失模技术用于制备性能更加优异的背部半封闭式轻量化结构。针对制备大尺寸复杂形状陶瓷的难点,研究了SiC陶瓷素坯凝胶注模成型及成型过程中高固相含量低黏度SiC浆料的配置、浆料固化时间控制及大尺寸复杂形状SiC湿坯的液体干燥工艺等。测试分析了坯体烧结过程中素坯的热失重与差热曲线,制定了最佳的烧结工艺。通过对以上关键技术的研究,制备得到了不同形状与轻量化结构形式的单块轻型SiC坯体,最大尺寸为1 100 mm×820 mm。
凝胶注浆成型 反应烧结碳化硅 反射镜 gelcasting Reaction Bonded(RB) SiC mirror 
光学 精密工程
2011, 19(11): 2609

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