碳化硅SiC的光学优势及应用

碳化硅（SiC）在大口径光学反射镜上的应用，主要得益于其高比刚度、优异热稳定性和宽光谱响应等特性，成为空间观测、深空探测等领域的核心材料。以下是关键应用进展与技术突破：

一、材料优势

1. 轻量化与高刚度：碳化硅的比刚度是传统玻璃的4倍，相同口径下重量仅为四分之一，适合航天器减重需求。

2. 热稳定性：导热系数比玻璃高两个数量级，温控难度大幅降低，适应太空极端温差环境。

3. 光学性能：表面镀膜后可见光至红外波段反射率超95%，满足高分辨率成像需求。

传统的大口径反射镜多用微晶或者石英玻璃，这里把碳化硅与微晶玻璃及石英玻璃的相关特性进行了对比，通过数据可以更直观地感受到差异，如下所示：

二、制造技术突破

1. 镜坯制备：采用类似“做豆腐”的胶态成型工艺，将微米级碳化硅粉末制成镜坯，支持复杂轻量化结构，三种制备工艺路线如下图。中国长春光机所通过5次试验攻克4米镜坯烧结难题，成功制备全球最大单体碳化硅镜坯（4.03米）。

2. 精密加工：镜坯制备完成之后，进入光学精密加工（工艺路线如下图）。磁流变抛光将4米反射镜面形精度提升至15.2纳米（相当于北京五环地面平整度误差<1毫米）。3D打印技术2024年国内实现0.6米碳化硅反射镜3D打印，解决传统工艺加工误差大、成本高的问题。

3. 镀膜技术：首创长方形磁控溅射镀膜装备，膜厚不均匀性控制在5%以内，确保高反射率。

三、应用实例

1.4米口径反射镜：全球最大碳化硅单体反射镜，可清晰观测地面汽车天窗细节，应用于国家地基大型光电系统。

2.中国“巡天”空间望远镜：主镜直径2米，采用 CVD-SiC蜂窝结构，面形精度<15 nm RMS，重量仅200 kg。

3.欧洲极大望远镜（E-ELT）：镜面拼接技术中，CVD-SiC用于校正镜单元（热膨胀系数匹配主镜微晶玻璃）。

四、挑战与趋势

1.工艺复杂度：烧结周期长（单次需5-6个月）、抛光耗时（4米镜需64个月）。

2.未来方向：结合3D打印实现更大口径（如米级）反射镜快速制造，推动商业化应用。