ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЗАГОТОВКИ КОСМИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА
COATING FOR SPACE MIRROR WORKPIECE

Изобретение относится к конструктивным покрытиям заготовок космических зеркал, в частности для обеспечения возможности получения высококачественной оптической поверхности на подложке зеркал.
Из области производства космических зеркал известно, что ранее в качестве материала подложки использовали металл - бериллий, очень токсичный материал. Для создания на подложке из этого материала оптической поверхности использовали остекловывание специально разработанным стеклом, которое затем полировали и наносили отражающие покрытие.
В дальнейшем на подложку, на которой сформирована оптическая поверхность, напыляют многослойное отражающее покрытие (зеркало), затем - защитное покрытие.
В настоящее время представляет интерес использование заготовок для космических зеркал из карбида кремния, который обладает наилучшим соотношением модуля упругости и плотности среди известных материалов.
Назначение стекла следующее: поверхность карбида кремния дефектна, т.к. в объеме этот материал не однороден как стекло, т.е. его невозможно отполировать до оптического качества поверхности. Для этого должен быть использован материал, который можно отполировать до оптического качества, т.е. стекло. Дальше на стекло напыляют многослойное отражающее покрытие (зеркало), на которое потом уже наносят защитное покрытие.
В патенте РФ №2025749, опубликованном 30.12.1984 по индексу МПК G02B 5/08, заявлено «Зеркало и способ формирования его защитного покрытия», предназначенного для зеркал, работающих в условиях повышенного воздействия агрессивных сред.
Сущность изобретения: зеркало содержит подложку, отражающий металлический слой и защитное покрытие, выполненное из нитрида и карбида кремния при следующем соотношении компонентов: карбид кремния 2-27 мас.%; нитрид кремния - остальное. Изобретение относится к оптике, в частности к зеркалам, предназначенным для бытовых нужд и различных технических целей, работающим в условиях повышенного воздействия агрессивных сред (пары влаги, коррозионные среды, перепады температур и т.п.).
В патенте РФ №2304557, опубликованном 20.08.2007 по индексам МПК В82В 1/00 и H01Q 17/00, заявлено «Защитное покрытие элементов радиоэлектронной аппаратуры», где технический результат заключается в создании защитного покрытия, обладающего высокой стойкостью к воздействию ионизирующих излучений при небольшом удельном весе конструкции. Защитное покрытие выполнено в виде небольшом удельном весе конструкции. Защитное покрытие выполнено в виде наноструктуры, которая включает совокупность атомов редкоземельных элементов, введенных в структуру армирующей атомно-молекулярной металлической матрицы. Наноструктура может быть составной частью защищаемой конструкции либо защитным слоем конструкции.
Данные конструкции являются отдаленными аналогами и не подходят для создания оптической поверхности на заготовках из карбида кремния.
Из уровня техники известно спаивание-остекловывание подложки из вольфрама. (М.П.Алексеенко. Когезия и адгезия горячего стекла. Под ред. Профессора К.С.Евстропьева. М.: Машиностроение, 1969, с.136). В данном источнике приведен состав оптического стекла - Марка 3058 III (Supermax), который принят за прототип нового изобретения. Данные по прототипу в Таблице 1.
Таблица 1
Компонент
Мас.%
SiO<sub>2</sub>
55.3
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
7.4
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
22.9
CaO
4.7
MgO
8.5
K<sub>2</sub>O
0.38
Na<sub>2</sub>O
0.6
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0.13
As<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0.5
Характеристики материала
Значение
Коэффициент термического расширения (10<sup>-7</sup> град.<sup>-1</sup>).
33
Температура, отвечающая вязкости стекла 10<sup>13,3</sup> Пуаз (Tg)
738
Температура, отвечающая вязкости стекла 10<sup>12</sup> Пуаз (T<sub>Eb</sub>)
775
Назначение
Для спаивания с вольфрамом
Задача нового изобретения состоит в создании нового состава материала, обеспечивающего возможность получения высококачественной оптической поверхности непосредственно на подложках из карбидкремниевых материалов.
Технический результат достигается за счет возможности использования карбида кремния в качестве конструкционного материала подложки, ее остекловывания, для использования в оптических приборах, где необходимо сочетание малого веса и высоких прочностных параметров, в частности в космическом приборостроении.
2
2
3
2
3
2
3
2
5
2
5
3
2
2
3
2
3
2
3
2
5
2
5
3
Задача решается путем создания материала стекла, включающего компоненты SiO, BO, AlO и CaO, в котором, в отличие от прототипа, дополнительно содержатся SbO, VO, NbO, MoO и F при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO-44-61; BO-8-20; AlO-5-19; CaO-3-12; SbO-0.3-0.7; VO-2-11; NbO-1-7; MoO-0.2-4 и F-1.5-6.
Представленный состав стекла обеспечивает остекловывание подложек из карбидкремниевых материалов с получением высоких характеристик по прочности и оптическим параметрам.
Таблица 2
Конкретные составы заявленного материала стекла в мас.%.
Компонент
1
2
3
4
SiO<sub>2</sub>
44
61
50
57
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
8
20
14,5
12
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
15,6
5
19
11
CaO
12
3
3
7
Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,7
0,3
0,5
0,4
V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
11
2
4
3,1
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
7
1,7
2
1
MoO<sub>3</sub>
0,2
2
4
2,5
F
1,5
0.5
3
6
КТР (10<sup>-7</sup> град.<sup>-1</sup>).
28
30
25
27
Адгезия стекла к подложке из карбида кремния.
Есть
Есть
Есть
Есть
Температура варки стекла (°C).
1540
1500
1550
1530
Способ изготовления материала - варка стекла по технологии, принятой для технических стекол в РФ.
В зависимости от поставленной задачи - объем выпуска, размер заготовок, типа технологического оборудования, установленного на производстве, режим варки может изменяться.
Оптические и технические стекла производят (варят) в ванных и горшковых печах. В ванных печах непрерывного действия целесообразно варить стекло массовых марок, которое требуется в больших количествах, например листовое. Поэтому для производства большого количества марок оптических и технических стекол используется варка стекла в горшковых печах. Возможно использование пламенных или электрических печей.
Технологический процесс варки оптического и технического стекла различного состава в горшковых печах состоит из следующих этапов (Физико-химические основы производства оптического стекла. Под ред. д.т.н. Л.И.Демкиной. Л.: Химия, 1976. 456 с., гл. XVI «Варка оптического стекла», с.330-349.):
- подготовка стекловаренного горшка и мешалки;
- засыпка и развар шихты;
- осветление расплава;
- охлаждение стекломассы;
- разделка.
Для каждого этапа варки стекла определяется температурно-временной режим, который определяется составом стекла и учитывает особенности конкретного производства (Технология стекла. Под ред. И.И. Китайгородского. М.: Госстройиздат, 1961, 624 с.).
Способ изготовления материала - варка стекла по технологии, принятой для технических стекол в РФ. Режим варки для стекла должен быть специально разработан с учетом особенностей конкретного производства.
Проведены эксперименты по спеканию стекла с образцами карбида кремния с диаметром заготовок 60 мм, после чего стекло было отполировано. Стекло спекается с материалом подложки из карбида кремния без разрушения. На поверхности стекла была получена оптическая поверхность, удовлетворяющая поставленной задаче.