Piikarbidi peili

Piikarbidi (SiC) on ihanteellinen materiaali suurempiin teleskooppeihin ja nopeisiin skannausjärjestelmiin, koska se on myrkytön, poikkeuksellisen termomekaanisesti vakaa ja kestää hapettumista ja kemiallista hajoamista.

Tässä artikkelissa esitellään deterministisesti valmistettu 4,03 metrin pituinen asfäärinen SiC-peili, jossa on matalan lämpötilan PVD-pinnoite. Se havainnollistaa, miten kvantitatiiviset testitiedot valmistuksesta (mm:n tarkkuus) kiillotukseen (nm:n tarkkuus) voidaan yhdistää saumattomasti, jotta virheiden lähentyminen ja hallinta on erinomaista.

Kevyt

Avaruusteleskooppien peilien on kestettävä erittäin suuria painovoimakuormituksia ja pysyttävä samalla kevyinä, jotta ne pysyvät rakenteellisesti kestävinä, mikä edellyttää korkean ominaisjäykkyyden omaavien materiaalien, kuten piikarbidin (SiC), käyttöä. Valitettavasti SiC:stä valmistettujen suurten peilien valmistaminen voi olla aikaa vievää, koska niiden pinta on hiottava ja kiillotettava optiseen tarkkuuteen - prosessi, joka voi kestää kuukausia tai jopa vuosia!

Innovatiiviset valmistustekniikat voivat lyhentää merkittävästi suurempien peilien tuotantoaikoja. Yhdysvaltalaiset laboratoriot ovat 80-luvun lopulta lähtien tutkineet kuumapuristustekniikoita SiC-komposiittipeilejä varten nopeampana ja yksinkertaisempana menetelmänä valmistaa niitä. Menetelmässä käytettiin SiC-jauheen ja fenolihartsin seosta, joka levitettiin peilin ytimen molemmille puolille. Tällä tekniikalla voitiin valmistaa Subaru-teleskooppiin 1,3 metrin pituinen toisiopeili, joka painoi 185 kg ja jonka pinta-alatiheys oli 105 kg/m2 . Corningin toisen sukupolven komposiittijäljennöstekniikassa käytetään hankaavaa vesisuihkutekniikkaa ja muita tekniikoita kevyiden ytimien valmistamiseksi, jotka sitten liimataan peilin etu- ja takalevyihin, jolloin saadaan aikaan sandwich-rakenteinen ULE-peili, jonka pinta-alan tiheys on vain 37 kg/m2 .

SiC:n reaktiosintraus on toinen lupaava lähestymistapa huipputehokkaiden SiC-peilien luomiseen, jossa käytetään rasvanpoistettuja raakakappaleita, jotka koostuvat fenolisen sideaineen kanssa sekoitetusta SiC-jauheesta, yhdistettynä korkean lämpötilan tyhjiösintrausuuniin, jotta saadaan aikaan sintrattuja kappaleita, joilla on täydelliset geometriset muodot, minimaalinen kutistuminen ja erinomaiset mekaaniset ja optiset ominaisuudet.

Peilin jäykkyyden lisäämiseksi on tuettava sekä aksiaali- että radiaalisesti. Yksi tapa tehdä tämä on suunnitella peilin selkäosa lootuskuvioiseksi, jolloin pinta-alan hitausmomentti kasvaa ja taivutuskestävyys lisääntyy. Tuoreessa tutkimuksessa arvioitiin tätä menetelmää 2 metrin SiC-kevytpeileillä, jotka on optimoitu maasta käsin toimiviin teleskooppeihin; niiden pienemmän massan ansiosta niillä voitiin saavuttaa jopa 40%:n massansäästö verrattuna samankokoisiin perinteisiin passiivisiin Zerodur-peileihin.

Korkea jäykkyys

Yksi peilin tärkeimmistä ominaisuuksista on sen jäykkyys. Tämän ominaisuuden ansiosta peili säilyttää muotonsa nopean skannauksen aikana, mikä auttaa laserkeilausjärjestelmiä saavuttamaan maksimaalisen suorituskyvyn. SiC:n ylivoimainen jäykkyys verrattuna perinteisiin lasipeileihin (joilla on yleensä suurempi tiheys ja suurempi massa) on myös houkutteleva ominaisuus.

Piikarbidin lujuuden ja jäykkyyden yhdistelmä tekee siitä ihanteellisen moniin sovelluksiin, kuten laserkeilaukseen. Tulostuksessa, hitsauksessa, leikkauksessa ja porauksessa käytettävät laserskannerit vaativat peilejä, jotka pystyvät tukemaan näissä sovelluksissa tarvittavia suuria skannausnopeuksia; klassisissa galvanometri-skannauspäissä on tyypillisesti 50 mm:n sädeaukot, jotka vaativat jäykkiä peilejä tukemaan tätä skannausnopeutta.

Piikarbidi on ihanteellinen materiaali tämäntyyppisten peilien rakentamiseen, koska se kestää sekä suuria nopeuksia että lämpötiloja, joita esiintyy skannausjärjestelmissä. Lisäksi piikarbidin erinomaisen lämmönjohtavuuden ansiosta se pystyy tehokkaasti haihduttamaan lämpöä ja varmistamaan samalla vakaan optisen suorituskyvyn laajalla lämpötila-alueella.

Piikarbidilla on monia etuja, mutta tästä materiaalista valmistettuja suuria asfäärisiä peilejä on ollut haastavaa valmistaa useilla keskeisillä alueilla esiintyvien haasteiden vuoksi. Näihin kuuluvat ensisijaisesti peiliaihion valmistaminen, asfäärin valmistukseen ja testaukseen liittyvät ongelmat sekä testimenettelyn tarkkuuteen/tarkkuuteen, päällystysprosessin jännitykseen/tiheyteen, jännitykseen/tiheyteen, päällystysprosessin tiheyteen ja determinististen testimenettelyjen edellyttämään dynaamiseen alueeseen liittyvät kysymykset, jotka liittyvät läpivedon vaikutukseen.

Näiden esteiden vuoksi suurten avaruuteen perustuvien teleskooppijärjestelmien on ollut haastavaa saavuttaa haluttu suorituskyky. Kehittyneiden valmistustekniikoiden ansiosta Zygo Corporation on kuitenkin keksinyt vaihtoehtoisen menetelmän kevyiden asfääristen peilien valmistamiseksi piikarbidista käyttäen POCO Graphite Inc:n toimittamia ei-perinteisiä substraatteja ja Zygon kehittynyttä determinististä viimeistelytekniikkaa.

Tämän lähestymistavan avulla on voitu valmistaa 4 metrin asfäärinen piikarbidipeili, jolla on erinomaiset kuvan terävyysvaatimukset (FSF), jotka ovat 10-15 nm RMS- ja 5-6 nm MSF-virhe. Lisäksi tässä peilissä on vain 0,094 aallon neliöjuurikarheus.

Korkea lämmönjohtavuus

Piikarbidi (SiC) on erinomainen monikiteinen materiaali, jolla on vahvat mekaaniset ja lämpöominaisuudet, minkä vuoksi se on ensisijainen substraattimateriaali optisille peileille, jotka toimivat vaativissa ympäristöissä. Kemiallisen hajoamisen kestävyys ja alhainen laajenemiskerroin merkitsevät sitä, että tämä vakaa substraatti ei muuta muotoaan ympäristöolosuhteiden muuttuessa, mikä on erityisen tärkeää, kun suurten teleskooppien on liikuttava eri asentoihin havaintoja varten.

SiC eroaa lasista tai lasikeramiikasta siinä, että se voidaan työstää monimutkaisiin kolmiulotteisiin muotoihin ja koota helposti optomekaanisiksi komponenteiksi, mikä mahdollistaa kevyet teleskooppimallit, joissa on maksimaalinen aukko. Lisäksi sen erinomaisen lämmönjohtavuuden ja lämpölaajenemisominaisuuksien ansiosta se on menestyksekkäästi korvannut berylliumin suurnopeuslaserskannausjärjestelmissä vaikuttamatta dynaamiseen suorituskykyyn.

Halkaisijaltaan suurten SiC-peilien valmistaminen on huomattavan vaikeaa, koska niiden suunnittelussa edellytetään, että ne on jaettava rakenteellisesti useisiin esivalmisteisiin ennen niiden yhdistämistä juotto- tai diffuusiohitsaustekniikoilla. Liitospintojen ja perusmateriaalin epäsuhtaisuuden vuoksi peiliin syntyy lisäjännityksiä, ja tuotantomenetelmiä voidaan hyödyntää vain sovelluksissa, jotka eivät vaadi tarkkuutta tai rakenteellista eheyttä.

Mersen Boostec on kehittänyt vaihtoehtoisen tuotantoprosessin, jolla voidaan valmistaa massatuotantona 4,03 metrin pituinen asfäärinen SiC-peili aihio yhdessä kappaleessa. Heidän uusi valmistustekniikkansa perustuu geelivalutekniikkaan, jossa käytetään vesiliukoista huoneenlämpötilassa häviävää muottia ja halkeamatonta kuivausta, jota seuraa reaktioliimausmenetelmä, jolla kevyen vihreän kappaleen segmentit ommellaan yhteen yhdeksi monoliittiseksi aihioksi. Tämä innovatiivinen lähestymistapa poistaa rajoitukset, jotka liittyvät nykyisiin keraamisiin muovaus- ja sintraustekniikoihin, ja avaa tien suurempiin, integroituneempiin optiikkamalleihin.

Kun tuote on muotoiltu aihioksi, sille tehdään tiukat testit sen varmistamiseksi, että se soveltuu kiertoradalla vallitseviin olosuhteisiin. Kuten alla olevasta kuvaajasta voidaan nähdä, 4,03 metrin pituinen asfäärinen SiC-keraaminen peiliaihio on erittäin vakaa sekä kardaanin että tyhjiöpaineen aiheuttaman kuormituksen yhteisvaikutuksen alaisena.

Peilin aksiaalinen ja radiaalinen stabiilisuus on erinomainen, mikä osoittaa sen soveltuvuutta suurienergialaser-sovelluksiin (HEL). Tämä suorituskyky johtuu suoraan sen vankasta piikarbidirakenteesta, joka on optimoitu kestämään avaruuden ainutlaatuisia rasituksia.

Hyvät optiset ominaisuudet

Piikarbidin ylivoimainen lujuus, jäykkyys ja lämmönjohtavuus tekevät siitä ihanteellisen materiaalin suurten teleskooppien peileihin, mutta niiden monimutkaisten pintojen työstäminen vie usein kuukausia tai jopa vuosia. Tämän prosessin nopeuttamiseksi tutkijat ovat kehittäneet additiivisen valmistustekniikan, jossa digitaalisten mallien avulla materiaalit pinotaan kerros kerrokselta fyysisiksi esineiksi kerros kerrokselta - tämä tarjoaa personointia, nopeutta ja taloudellisuutta perinteisiin keraamisiin muokkaus- ja sintrausprosesseihin verrattuna.

Peileillä on tärkeä rooli kaukoputkien optisessa suorituskyvyssä. Optimaalisten tulosten varmistamiseksi suurilla lasertehoilla peilien on oltava muodoltaan ja pinnanlaadultaan erinomaisia, jotta vältytään vääristymiltä erityisesti suuremmilla lasertehoilla. Tämän vuoksi piikarbidin lämpölaajenemiskerroin on alhaisempi kuin sen keraamisilla vastineilla, kuten sulatetulla piidioksidilla tai berylliumilla, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalivalinnan avaruusolosuhteisiin, joissa lämpötilat voivat nousta äärimmäisiksi.

SiC-peileillä on paitsi erinomaiset rakenteelliset ominaisuudet myös poikkeukselliset optiset ominaisuudet. Niiden elastiset ominaisuudet ovat lasin veroiset, mutta ne kestävät paremmin muodonmuutoksia, minkä ansiosta suunnittelijat voivat valmistaa ohuempia peilejä, jotka vähentävät teleskooppijärjestelmien painoa ja kustannuksia.

Jotta näitä ominaisuuksia voitaisiin hyödyntää täysimääräisesti, on ratkaisevan tärkeää, että optiikan valmistajat tiedostavat suurten optisten järjestelmien erityiset mekaaniset vaatimukset. Esimerkiksi galvanometripeilien suunnittelijoiden on kiinnitettävä erityistä huomiota siihen, miten nämä parametrit vaikuttavat koko järjestelmän resonanssiin, ja otettava huomioon sekä itse peilin elastiset ominaisuudet että kaikkien resonanssitestaukseen osallistuvien osien geometriat.

Avantierin innovatiivisella tuotantoprosessilla voidaan valmistaa räätälöityjä piikarbidipeilejä, jotka täyttävät teleskooppien, skannausjärjestelmien ja avaruuslentojen tarkat vaatimukset. Avantierin tuotantomenetelmissä käytetään tarkkaa koneistusta ja huippuluokan mittalaitteita, jotta voidaan varmistaa, että valmistetaan vain korkealaatuisia peilejä. Avantier voi valmistaa erikokoisia ja -muotoisia peilejä; lisäksi se tarjoaa erilaisia optisia pinnoitevaihtoehtoja näiden vaatimusten täyttämiseksi.