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国家重大科研装备研制项目“4m量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统”通过验收
2018-08-22 光学技术中心
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  2018821日,中科院条件保障与财务局在长春组织了“4m量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统项目验收会。中科院条财局局长郑晓年、院机关相关部门、验收专家组、用户代表、项目监理组、项目研发团队等五十余人参加了验收会议。 

  由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称中科院长春光机所)承担的国家重大科研装备研制项目“4m量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统通过项目验收。中科院长春光机所完成了直径4.03米口径(公开报道最大口径)高精度碳化硅(SiC)非球面反射镜制造,其核心制造设备以及制造工艺具有完全自主知识产权。该项目的成功研制标志着我国大口径碳化硅非球面光学反射镜制造领域的技术水平已经跻身国际先进行列。 

  制造业是国民经济的主体,是科技创新的主战场。改革开放以来,我国制造业持续快速发展,有力地推动了工业化进程,显著增强了综合国力。近年来,创造未来的科技发展新趋势颠覆性技术层出不穷,将要催生产业重大变革,成为社会生产力新飞跃的突破口。 

  大口径高精度非球面光学反射镜是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心元件,其制造技术水平对一个国家的国防安全、国民经济建设、基础科研能力具有重要意义,也是衡量一个国家高性能光学系统的研制水平的重要标志。 

  碳化硅陶瓷材料是国际光学界公认的高稳定性光学反射镜材料,采用碳化硅材料可大幅提高大口径成像系统的性能。欧美国家在大口径碳化硅光学反射镜制造技术方面长期处于垄断地位,我国大口径光学制造技术与世界先进水平存在较大差距,发展大口径碳化硅光学制造技术迫在眉睫。 

  面向国家对大型光学仪器的战略需求,迫切需要研制具有自主知识产权的“4m量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统2009年底,在中科院和财政部的策划支持下,中科院长春光机所启动“4m量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统项目,自主研制大口径高精度非球面反射镜制造系统,占领国际高端制造领域的制高点,通过项目前瞻布局必将牵引和带动国家一系列相关技术发展,项目研究具有重要的科学价值和明确的应用背景,符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要》发展思路。 

  中科院长春光机所在项目负责人张学军研究员的带领下,项目研发团队历经八年技术攻关,完成了碳化硅镜坯制备、非球面加工检测、碳化硅表面改性镀膜的制造设备研制与制造工艺研究,形成了具有自主知识产权的“4m量级高精度碳化硅非球面集成制造平台”,并依托集成制造平台完成4m量级高精度碳化硅非球面产品研制。 

  大口径高精度碳化硅非球面反射镜制造难度极大。其主要关键技术瓶颈在于碳化硅材料制备、非球面加工检测以及高性能改性镀膜三个方面。 

  在碳化硅材料制备技术方面:由于大口径碳化硅镜坯的制备过程伴随着复杂的物理相变和化学反应,因此,在此前相当长一段时间内,国际上公认1.5米是单体碳化硅反射镜的极限口径。项目研发团队经历数百次实验探索与工艺验证,刻苦攻关,突破了系列镜坯制备关键技术,建立了大口径碳化硅镜坯制造平台,并先后研制成功2米、3米单体碳化硅镜坯、4米口径整体碳化硅镜坯(公开报道最大口径),标志着我国已经实现了大口径碳化硅光学材料已经实现自主可控。 

  在大口径碳化硅非球面加工检测技术方面:在国内首次研制成功适用于大口径碳化硅高精度制造的非球面数控加工中心,突破大口径碳化硅非球面高精度高效加工技术瓶颈,并解决了系列制约大口径非球面高精度检测的关键问题。完成了4m量级碳化硅非球面高精度加工,加工精度优于20nmRMS值),全面实现4m量级碳化硅高精度加工与检测技术自主可控。 

  在大口径碳化硅改性镀膜技术方面:项目研发团队首次研制成功SiC反射镜改性与反射膜镀制一体化设备,具备4m量级反射镜改性与镀膜能力。结合溅射工艺探索,攻克了改性层应力控制、缺陷缩减、均匀性优化等技术难题,首次应用磁控溅射技术完成4m量级碳化硅表面改性,满足高质量光学表面的抛光需求;通过磁控溅射工艺多参数组合优化,实现4m碳化硅反射镜表面高反射率薄膜镀制,可见至长波红外全谱段反射率优于95% 

  “4m量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统的成功研制,打破了国外在大口径非球面制造技术的垄断地位,形成了具备自主知识产权的4m量级大口径反射镜研制能力,填补了多项国内空白,大幅提升了我国在高性能大型光学仪器的研制水平,具有明显的直接经济与社会效益。 

    验收专家组对项目的完成给予了高度评价,认为:项目组完成了4m量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统的研制工作,所有技术指标均达到或优于项目批复的实施方案规定的考核指标要求,系统性能国际领先。该项目是我国在大口径光学制造领域的重大技术突破,形成了大口径系列反射镜研制能力。1.5m口径和2m口径SiC反射镜已成功应用于国家重大型号任务,4m口径SiC反射镜工程产品即将应用于国家地基大型光电系统,也为空间大口径光学系统的研制解决了核心技术难题。

    项目的研究成果将应用于国家一系列重大工程项目,对我国的基础科研、防灾减灾、公共安全、国家安全等领域具有重要战略意义。

4m口径高精度碳化硅非球面反射镜

 摄影:张译心

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