空间反射镜用C/C复合材料的设计及微结构控制

To meet the urgent demand on new mirror materials, a novel mirror system was proposed including C/C composites substrates and Nickel reflecting coating. The first step is to choose the fibers and weave methods through finite element analysis (FEA). Secondly, it is to adjust pyrocarbon microstructure by controlling chemical vapor infiltration (CVI) parameters, fabricate C/C composites with high thermal conductivity and low expansion. Then, through surface modification and process parameter research, the problem of low coherence and high inner stress can be released between coating and composites. Finally, C/C composites mirror with high surface precision is obtained after optical finishing. In this project, the preparation process and formation mechanism of thermal stable C/C composites will be studied. The effect of microstructure on thermal physical properties will be discovered, and the relation between interface and properties of coherence and finishing will be explored. Additionally, the failure mechanism of Nickel coating in finishing process will be discussed. The research results of this project can provide theory support for C/C composites applied in the space mirror field.

本项目针对反射镜新材料迫切需求的难题，提出一种以C/C复合材料为坯体，镍层作为反射层的新思路，即首先采用有限元分析对纤维种类和编织方式进行优选，之后通过化学气相渗透工艺调整，对C/C复合材料热解碳基体的组织结构进行控制，获得高热导低膨胀C/C复合材料的制备方法；再通过表面改性以及工艺控制，缓解镍层与复合材料之间存在的结合力差内应力大的问题; 最终通过对镍涂层的光学加工，获得高面型精度的C/C复合材料反射镜。系统深入研究热稳定C/C复合材料的制备工艺条件和形成机理，阐明微观组织结构对C/C复合材料热物理性能的影响规律；研究复合材料界面状态对镍层性能的影响规律，揭示镍涂层在抛光过程中的失效机理，为C/C复合材料应用于空间反射镜领域奠定理论基础。

本项目针对反射镜新材料需求的难题，提出一种以C/C复合材料为坯体，镍层作为反射层的新思路，即首先采用有限元分析对纤维种类和编织方式进行优选，之后通过致密化工艺的控制，获得高热导低膨胀C/C复合材料的制备方法；再通过微氧化处理，在C/C表面制备微空隙层后在电镀Ni涂层，依此增强Ni层与C/C复合材料之间的结合强度。最终通过对镍涂层的光学加工，获得高面型精度的C/C复合材料反射镜。.研究结果显示，采用沥青浸渍致密化的C/C复合材料具备更高的导热率以及更低的热膨胀系数，因此该种工艺制备的C/C具备更为良好的热稳定性；对C/C复合材料的微氧化实验结果表明，相同失重率条件下，高温表面形成的空隙大但厚度较小，而低温微氧化后的空隙层厚度较大，但空隙层空隙较小。微氧化能够明显的提高Ni层的结合强度，700℃微氧化40min处理后的Ni层结合强度最高，达到7MPa。最终通过光学加工抛光处理后，C/C复合材料反射镜面型精度达到0.05λ（RMS，λ=632.8nm），粗糙度最高达到2.28nm。