Способ изготовления подложки зеркала из карбидокремниевой керамики
METHOD OF MAKING MIRROR SUBSTRATE OF SILICON CARBIDE CERAMIC

Изобретение относится к области оптического машиностроения, а более конкретно - к области изготовления оптических зеркал, и может быть использовано в области лазерной техники, оптоэлектроники, информационной и силовой оптики, в системах оптической локации и поиска.
Для получения высококачественных изображений в широком диапазоне рабочих температур и термических воздействий, зеркало должно обладать высокой удельной жесткостью, теплопроводностью, низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и высокой степенью отражения в требуемом интервале длин волн. В конструкции зеркала можно выделить подложку зеркала, обладающую необходимыми конструкционными свойствами, и отражающий слой, нанесенный на поверхность, обработанной до требуемых оптических параметров подложки. Для обеспечения высокой жесткости при минимальном весе подложки, большинство конструкций зеркал представляют собой пластину, к одной из сторон которой примыкает зона облегчения, которая выполнена в виде полостей, разделенных тонкими стенками. Форма и размер полостей определяется расчетом. Масса подложки зеркала с зоной облегчения на 60-70% меньше массы подложки без зоны облегчения. Однако большой осевой момент сопротивления такой конструкции обеспечивает ей жесткость при изгибе.
В последние годы развиваются технологии получения зеркал, подложки которых выполнены из карбидокремниевой керамики, получаемой методами спекания или реакционного спекания. Такая керамика отвечает отмеченным выше требованиям к материалу подложек зеркал. Получение карбидокремниевой подложки осуществляют последовательными стадиями подготовки шихты исходных компонентов, формования заготовки, термообработки заготовки и последующего ее спекания. В ряде случаев осуществляют механическую обработку заготовки перед спеканием.
Известен способ изготовления подложки зеркала из карбидокремниевой керамики по технологии спекания [Абдулкадыров М.А., Владимиров И.М., Добриков Н.С., Патрикеев В.Е., Семенов А.П. Инновационные решения АО ЛЗОС при изготовлении зеркал из карбида кремния. Научно-технический журнал «Композит», т.15, №4, 2016. С.29-34]. Способ состоит в подготовке шихты из порошка карбида кремния, формовании заготовки подложки в виде диска методом гидростатического формования, механической обработки заготовки для формирования структуры облегчения, спекании в вакуумной печи при температуре 1900-2100°С.
Способ имеет ряд недостатков. Способ предусматривает большой объем механической обработки: фрезерование структуры облегчения зеркала осуществляют в сформованном диске. Объем удаляемого материала при формировании структуры облегчения составляет 70% и более, что трудоемко. Механической обработке подвергается твердый и абразивный материал (карбид кремния), что приводит к большому износу резцов и фрез. Важной особенностью процесса спекания является большая усадка заготовки при спекании - более 20%. Тем самым получаемая подложка на более чем 20% меньше ее заготовки. Сам процесс спекания больших по размерам деталей требует высокой равномерности прессования заготовки и точности поддержания температуры спекания по всему объему заготовки - неравномерная усадка по объему подложки приводит к ее разрушению.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению авторы выбрали способ изготовления подложек зеркал из карбидокремниевой керамики, основанный на процессе реакционного спекания [Малышев И.В. Современные достижения и тенденции в изготовлении заготовок крупногабаритных аэрокосмических зеркал из карбида кремния. Сборник трудов III конференции «Будущее оптики» для молодых специалистов, кандидатов наук, аспирантов и студентов оптической отрасли и смежных дисциплин. / АО Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, Санкт-Петербург, 2015. С. 9-11]. Способ включает подготовку шихты в виде шликера из порошка карбида кремния с пластификатором. Полученный шликер затем используют для шликерного литья в форму, обеспечивающую получение отливки, приближенной по форме к требуемой подложке зеркала с зоной облегчения. Тем самым получают заготовку подложки, не требующей большой механической обработки. В заготовку затем вводят углерод путем осаждения пироуглерода в порах заготовки разложением газообразных углеводородов. После этого осуществляют спекание заготовки путем пропитки ее жидким кремнием. Способ обеспечивает существенное уменьшение трудоемкости механической обработки заготовки за счет применения технологии шликерного литья. Достоинствами способа является то, что процесс спекания происходит при заметно более низких температурах и с минимальными изменениями размера заготовки.
Недостатком способа является длительность и трудоемкость стадии осаждения пироуглерода, требующая точности поддержания условий реализации процесса.
Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления подложки зеркала и уменьшение трудоемкости ее изготовления.
Технический результат достигается за счет того, что при реализации способа изготовления подложки зеркала из карбидокремниевой керамики, включающего формование заготовки подложки, термообработку заготовки и последующую пропитку заготовки расплавом кремния, шихта для формования заготовки содержит смесь порошков карбида кремния и алмаза, а формование осуществляется шликерным литьем. При реализации способа массовое отношение порошка карбида кремния и алмаза в шихте для формования должно лежать в интервале 0,8-10. В этом случае достигается оптимальное содержание углерода и карбида кремния в заготовке. При отношении менее 0,8 содержание алмаза в заготовке слишком высоко и получаемый композиционный материал обладает высокой твердостью, что затрудняет его дальнейшую механическую обработку. При массовом отношении порошка карбида кремния и порошка алмаза более 10, в заготовке композита содержится мало углерода, что приводит к формированию композита с повышенным содержанием кремния и такой композит имеет низкие механические свойства.
Предпочтительно, чтобы размер частиц в порошке карбида кремния лежал в интервале 10-50 мкм, а размер частиц в порошке алмаза - 2-30 мкм. Указанный диапазон размера частиц технологически оптимален. Использование более мелких частиц приводит к тому, что затрудняется процесс пропитки заготовки материала жидким кремнием из-за малого размера пор в заготовке. Использование более крупных частиц усложняет формование заготовки.
Предпочтительно, если шихта для формования шликерным литьем содержит порошок карбида кремния 25-65% масс., порошок алмаза - 5-35% масс., раствор временного связующего - 20-50% масс. Предпочтительно, чтобы в качестве раствора временного связующего использован золь кремневой кислоты с концентрацией 10-40%масс. или спиртовой раствор фенол-формальдегидной смолы с концентрацией 10-30% масс.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.
3
3
Предлагаемое техническое решение базируется на процессе изготовления карбидокремниевых керамических материалов реакционным спеканием. Основной стадией такого технологического процесса является пропитка жидким кремнием пористой заготовки, состоящей из зерен карбида кремния и углерода. В ходе пропитки кремний вступает в химическую реакцию с углеродом с образованием карбида кремния (так называемого, «вторичного карбида кремния»), который связывает зерна карбида кремния в единый материал. При реализации реакционного спекания для получения керамик, в качестве углерода в составе заготовки могут быть использованы графитоподобные формы углерода, например, сажа, кокс, пироуглерод. Дисперсные частицы углерода (сажа, кокс) широко используют на практике, однако формование заготовок карбидокремниевых керамик из смеси карбид кремния/углерод осуществляется прессованием. Применение шликерного литья для получения сложных по форме и больших по размеру заготовок ограничено большой разницей в плотностях частиц карбида кремния (3,2 г/см) и углерода (1,6-1,8 г/см). Шликеры из таких смесей расслаиваются и не обеспечивают равномерное распределение карбида кремния и углерода при седиментации частиц.
Получение заготовок шликерным литьем из порошка карбида кремния возможно, как это описано в известном техническом решении, однако последующее введение в заготовку углерода путем осаждения пироуглерода в порах заготовки, требует длительной термообработки.
3
В предлагаемом техническом решении в качестве источника углерода для образования вторичного карбида кремния использован алмаз. Алмаз имеет плотность 3,5 г/см - близкую к плотности карбида кремния. Поэтому обеспечивается получение устойчивых шликеров в смеси алмаз -карбид кремния. Использование шликерного литья при формовании заготовок подложки зеркала позволяет существенно упростить технологию формировании зоны облегчения и снизить трудоемкость этой стадии.
Кроме того, использование в качестве исходных веществ смесей алмаз - карбид кремния позволяет получать композиционные материалы с невысоким содержанием алмаза, которые, в отличие от аналогичных материалов с высоким содержанием алмаза, имеют более низкую твердость и могут быть механически обработаны алмазным инструментом.
Как было отмечено выше, при реализации способа изготовления подложки зеркала используют порошки карбида кремния и алмаза. Предпочтительно, чтобы размер частиц порошка карбида кремния составлял 10-50 мкм, а порошка алмаза - 2-30 мкм. Из исходных порошков готовят шихту для формования. Массовое отношение порошка карбида кремния и порошка алмаза в шихте составляет 0,8-10.
Формование шликерным литьем осуществляют из шихты, содержащей порошок карбида кремния 25-65% масс., порошок алмаза - 5-35% масс., раствор временного связующего - 20-50% масс. При этом в качестве временных связующих могут быть использованы растворы высокомолекулярных органических веществ, таких как фенол-формальдегидная смола, поливинилпироллидол и др. В качестве раствора временного связующего может быть использован золь кремневой кислоты с концентрацией 10-40%масс. Шликерное литье осуществляют в металлическую форму, имеющую внутреннюю структуру, максимально приближенную к форме изготавливаемой подложки зеркала. Применение для формования шликерного литья позволяет получать заготовку подложки, уже имеющую требуемую структуру зоны облегчения зеркала, и существенно снизить трудоемкость изготовления подложки зеркала.
3
После изготовления заготовки проводят ее термообработку. Термообработку осуществляют последовательно в трех температурных режимах. При температуре 150°С осуществляют отверждение временного связующего. Затем заготовку термообрабатывают при температуре 1400-1600°С. При этой температуре происходит разложение временного связующего с образованием газообразных веществ и углерода, в также взаимодействие оксида кремния, который содержится во временном связующем (при использовании золя кремниевой кислоты) и на поверхности частиц карбида кремния, с углеродом с образованием монооксида углерода и карбида кремния. В процессе третьей термообработки (при 1450-1550°С) осуществляют пропитку заготовки жидким кремнием. Процесс осуществляют после расположения необходимого количества кремния в виде кусков размером 2-25 мм на поверхности заготовки. После достижения температуры плавления кремния, жидкий кремний впитывается в поры заготовки и частично взаимодействует с содержащимся в ней углеродом с образованием вторичного карбида кремния. Полученный материал содержит в своем составе алмаз (в той части, которая не вступила в химическую реакцию образования вторичного карбида кремния), первичный карбид кремния, вторичный карбид кремния и кремний. Материал имеет плотность 2,8-3,1 г/см, модуль упругости - 380-450 ГПа. Твердость материала - 25-40 ГПа, что позволяет осуществлять его механическую обработку алмазным инструментом.
Пример реализации предлагаемого технического решения.
3
6
6
Для изготовления подложки зеркала приготавливают шликер. Смешивают 1000 г порошка карбида кремния с размером частиц 30-40 мкм и 250 г порошка алмаза с размером частиц 20-28 мкм, т.е. обеспечивают массовое отношение карбида кремния и алмаза равное 4. Добавляют 0,6 литра 10%-ного раствора кремнезоля и полученную суспензию гомогенизируют 15 минут на мешалке с частотой вращения ротора 500 об/мин. Полученный шликер заливают в подготовленную форму. Форму со шликером помещают на вибростол и подвергают вибрации с частотой 40 Гц в течение 2 часов. По окончании вибровоздействия отстоявшуюся на поверхности осажденного порошка жидкость отсасывают вакуумным насосом. Полученную из порошков и связующего заготовку последовательно высушивают: сначала в форме в течение 4 часов, затем, разобрав форму, на воздухе в течение 15 часов, при температуре 110°С в течение 3 часов и при температуре 350°С в течение 2 часов. Полученную заготовку термообрабатывают в вакуумной печи при температуре 1670°С в течение 15 минут. После термообработки заготовку подвергают механической обработке - ручным инструментом убирают облой и неточности шликерного литья. Затем на поверхность заготовки помещают 870 г кремния и спекают (термообрабатывают) в вакуумной печи при температуре 1500°С в течение 10 минут. При этом происходит формирование структуры материала подложки зеркала. Извлеченную спеченную подложку подвергают пескоструйной очистке от поверхностных загрязнений. Полученная подложка сформирована из алмазосодержащего композиционного материала состава: алмаз - 20% об., карбид кремния 61% об., кремний 19% об. Материал подложки зеркала имеет плотность 3,08 г/см, модуль упругости 440 ГПа. Удельная жесткость материала - 14,3* 10 м, тогда как у карбидокремниевых керамик - 12,8*10 м. Твердость материала, рассчитанная по аддитивности твердости входящих в материал фаз, составляет 35 ГПа. Поверхность подложки, противоположная зоне облегчения, обработана на оптических станках алмазным инструментом. При этом обеспечена плоскостность подложки 2 мкм и достигнута шероховатость поверхности Ra=0,55 мкм.
Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет упростить технологию изготовления подложки зеркала и снизить трудоемкость ее изготовления.