СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЛЕГЧЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ Российский патент 2016 года по МПК G02B5/08 C03C27/00 

Описание патента на изобретение RU2591209C1

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к изготовлению зеркально-линзовых систем и может быть использовано в оптической и оптоэлектронной промышленности, в том числе при производстве зеркал оптических телескопов.

Известны способы изготовления астрономических зеркал из монолитного стекла, снижение веса которых происходит за счет изготовления полостей в основе зеркала, либо путем изготовления пеностеклянного несущего слоя и др. [SU 960706, МПК3 G02B 5/08, 1982, бюл. №35]. Однако такие зеркала имеют недостаточную жесткость, большой удельный вес и технология изготовления их достаточно сложна.

Известны способы изготовления облегченных зеркал из традиционных оптических материалов. Зеркала имеют многослойную структуру и представляют собой основание из легкого керамического материала, например корундовой радиокерамики, ситалла и т.п., на рабочую сторону которого нанесен слой оптического стекла и на который, после соответствующей обработки, наносится отражающее зеркальное покрытие (Ag, Al, Cu) [SU 1805110 A1, МПК C03C 17/34, G02B 5/08, 1993, бюл. №12]. Основной недостаток известных зеркал - разный коэффициент термического линейного расширения (ТКЛР) керамического основания и оптического стекла, что приводит к деформациям, образованию микротрещин вследствие внутренних напряжений, возникающих как в процессе соединения рабочей стеклянной поверхности с керамическим основанием, так и при эксплуатации зеркал. Для минимизации этого недостатка между основанием и оптическим стеклом делают промежуточный слой из легкоплавких стекол, эластичных материалов типа герметик, глицерина и др. [SU 505001, МПК G02B 5/08, G02B 7/18, 1976, бюл. №8]. Введение в конструкцию промежуточного слоя усложняет технологию изготовления зеркал, требует тщательного подбора материалов по ТКЛР, снижается общая жесткость конструкции.

В качестве прототипа выбран способ изготовления облегченных зеркал с использованием нетрадиционных материалов - карбидокремниевой керамики [UA 9167, МПК H05B 1/00, H05B 3/16, B60L 1/02, G02B 11/04, 2005, бюл. №9 (прототип)]. Для изготовления зеркал по способу-прототипу на основание из самосвязанного карбида кремния (SiSiC) толщиной 10 мм наносят специальную пасту из смеси порошков кремния Si и литиевоалюмосиликатной стеклокерамики Zerodur (Германия), затем, путем диффузионного отжига, основание соединяется с пластиной из литиевоалюмосиликатной стеклокерамики толщиной 5 мм при температуре 650°C в течение 3 часов. Затем поверхность стеклокерамики шлифуют, полируют и наносят зеркальный слой алюминия по традиционной технологии.

Однако изготовление оптических зеркал по способу-прототипу имеет серьезные недостатки. Используемая литиевоалюмосиликатная стеклокерамика Zerodur обладает существенно более низким коэффициентом термического линейного расширения (0,05-0,2·10-6 К-1) по сравнению с ТКЛР карбидокремниевой керамики SiSiC (2,8-4,0·10-6 К-1) в широком диапазоне температур. Из-за большой несогласованности по ТКЛР данный способ не может обеспечить стабильности свойств и размеров зеркал во времени: в результате температурных и механических деформаций возможно искажение формы, отслаивание оптической поверхности от карбидокремниевого основания. Применение пасты из смеси порошков кремния Si и литиевоалюмосиликатной стеклокерамики в качестве тонкого промежуточного адгезионного слоя не может существенно повлиять на указанный недостаток. К тому же равномерно нанести тонкий слой из смеси порошков технологически сложно, а для удовлетворения современных требований к качеству поверхности зеркал как по физико-механическим, так и по оптическим показателям необходимо обеспечить особую чистоту поверхностей отдельных зеркальных элементов, в т.ч. взаимного контакта основания и стекла.

Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в повышении прочности контакта керамического основания и оптического стекла и, как следствие, повышении сопротивляемости оптических зеркал внешним воздействиям.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном способе, включающем соединение основания зеркала из карбидокремниевой керамики SiSiC с рабочей пластиной из стеклокерамики литиевоалюмосиликатной системы посредством диффузионного отжига с использованием специальной пасты из смеси порошков кремния Si и литиевоалюмосиликатной стеклокерамики, шлифовку, полировку и нанесение зеркального отражающего слоя, основание из карбидокремниевой керамики SiSiC предварительно подвергают отжигу при температуре 900-1000°C в течение 1,5-2 часов, а затем соединяют с оптическим стеклом боросиликатной системы методом пайки при температуре 800-850°C в течение 0,5-1 часа.

Использование в предлагаемом изобретении оптического боросиликатного стекла с коэффициентом термического расширения 3,0-4,0·10-6 К-1 в широком диапазоне температур и карбидокремниевой керамики SiSiC с коэффициентом термического расширения 2,8-4,0 10-6 К-1 позволило добиться максимальной согласованности по ТКЛР между основанием зеркала и его рабочей поверхностью.

Экспериментально установлено, что термическая обработка при температуре 900-1000°C приводит к образованию на поверхности карбидокремниевой керамики пленки из двуокиси кремния SiO2 (до 90-95%) толщиной около 1 мкм, химически связанной с карбидокремниевым основанием зеркала. При температуре ниже 900°C химическая реакция образования SiO2 на воздухе идет очень медленно и требует длительных выдержек. Толщина синтезируемых пленок при длительности термического окисления 3-4 часа не превышает 2-5 нм, что недостаточно для полировки. При температуре выше 1000°C и времени выдержки более 2 часов в синтезируемой пленке наблюдаются поры.

Термическая обработка при температуре 900-1000°C позволила получить когерентные слои SiSiC/SiSiO2/SiO2B2O3, что должно обеспечить хорошую прочность соединения «карбидокремниевая керамика SiSiC/боросиликатное стекло SiO2B2O3». Кроме того, благодаря образованию пленки двуокиси кремния SiO2, поверхность карбидокремниевого основания практически не имеет пор и поэтому обладает хорошей полируемостью, что также позволяет добиться хорошей адгезии с оптическим стеклом и получить однородное покрытие с хорошими оптическими свойствами. Изготовление зеркал по способу-прототипу не может привести к образованию пленки SiO2, так как при температуре диффузионного отжига 650°C применяемый в промежуточном слое порошкообразный кремний Si химически малоактивен. Повышение же температуры невозможно, так как максимальная температура, при которой допустимо применение литиевоалюмосиликатной стеклокерамики Zerodur, составляет порядка 600°C.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1. Пластины толщиной 10 мм из карбидокремниевой керамики (самосвязанный карбид кремния SiSiC) подвергали отжигу на воздухе при температуре 900-1000°C в течение 1,5-2 часов. Затем поверхность полировали, сверху помещали пластину из боросиликатного стекла толщиной 5 мм и проводили пайку при температуре 850°C в защитной атмосфере в течение 1 часа. При температуре пайки ниже 850°C для размягчения стекла толщиной 5 мм до однородного состояния требуется более длительное время, а также снижается адгезия стекла и основания. Времени же пайки менее 0,5 часа недостаточно для получения однородного контакта между слоями. При времени пайки более 1 часа заметных изменений не происходит, поэтому проведение такого режима экономически нецелесообразно.

Полученную заготовку подвергали испытаниям на прочность при воздействии вакуума и циклических изменений температуры. Испытания проводили на оборудовании ОАО «Пеленг».

Прочность к перечисленным внешним воздействиям оценивали по отсутствию изменений в заготовке (появление пузырей, микротрещин и отслаивания стеклопокрытия). Для этого сначала заготовку помещали в барокамеру и выдерживали в вакууме при давлении ρ=10-3 Па в течение 8 часов. Изменений внешнего вида не выявлено.

Затем заготовку помещали в термокамеру и подвергали трем циклам воздействия пониженной и повышенной температуры в диапазоне от минус 30 до плюс 50°C с выдержкой при крайних значениях температуры в течение 1 часа. Скорость изменения температуры в термокамере составляла 1°C/мин для снятия остаточных напряжений в заготовке. В результате испытаний изменений внешнего вида заготовки не выявлено.

Таким образом, выход годных заготовок после испытаний на прочность при воздействии вакуума и циклических изменений температуры составил 100%.

Пример 2. Для определения влияния масштабного фактора, аналогично примеру 1, изготавливали заготовки зеркал из боросиликатного стекла выпускаемых промышленностью толщин 2 мм и 9 мм. Режимы пайки для стекла толщиной 2 мм составили 800°C и время выдержки 0,5 часа, а для стекла толщиной 9 мм - 850°C и время выдержки 1 час. Полученные заготовки подвергали испытаниям на прочность к внешним воздействиям, описанным в примере 1. В результате испытаний изменений внешнего вида заготовок при воздействии вакуума и циклических изменений температуры не выявлено. Выход годных заготовок составил 100%.

Пример 3. Аналогично примеру 1 изготавливали заготовки зеркал на основании из карбидокремниевой керамики без предварительного отжига при температуре 850°C. Испытания показали, что уже после одного цикла воздействия пониженной и повышенной температуры в заготовках наблюдается отслаивание стеклопокрытия. Выход годных - менее 10%.

Пример 4. Аналогично примеру 1 изготавливали заготовки зеркал на основании из карбидокремниевой керамики с использованием стеклокерамики Zerodur. Получить качественные заготовки зеркал оказалось невозможным: при температуре пайки и 800 и 850°C стеклокерамика пузырилась, стекала с карбидокремниевого основания.

Пример 5. Изготавливали заготовки зеркал по способу-прототипу с использованием стеклокерамики Zerodur толщиной 5 мм и основания из карбидокремниевой керамики толщиной 10 мм и подвергали испытаниям на прочность к внешним воздействиям, описанным в примере 1. Испытания показали, что после 2 циклов воздействия вакуума и пониженной и повышенной температуры наблюдаются изменения в рабочем слое 30% заготовок в виде микротрещин и отслаивания стеклопокрытия, а после 3 циклов эта цифра возрастала до 60-65%.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает устойчивость заготовок зеркал к внешним воздействиям при следующих требуемых условиях эксплуатации: температурный интервал от минус 30 до плюс 50°C, давление газовой среды 10-3 Па, рабочая температура (20±10)°C.

После испытаний на устойчивость к внешним воздействиям заготовки шлифовали, полировали и наносили зеркальный отражающий слой по традиционной технологии.

Зеркала на карбидокремниевом основании, изготовленные по предлагаемому способу, предназначены для использования в качестве комплектующих для оптических телескопов.

Похожие патенты RU2591209C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ СТЕКЛА ИЛИ СТЕКЛОКЕРАМИКИ 2003
  • Дёринг Торстен
  • Едамзик Ральф
  • Эземанн Хауке
  • Хёльцель Эва
RU2314268C2
Стеклокерамическое зеркало 1991
  • Маслов Владимир Петрович
  • Король Юрий Борисович
  • Остафьев Владимир Александрович
  • Комарова Тамара Петровна
SU1805110A1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ С ГРАДИЕНТОМ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ 2008
  • Дымшиц Ольга Сергеевна
  • Жилин Александр Александрович
  • Шашкин Александр Викторович
RU2385845C1
ПРОЗРАЧНАЯ СТЕКЛОКЕРАМИКА ДЛЯ СВЕТОФИЛЬТРА 2012
  • Дымшиц Ольга Сергеевна
  • Жилин Александр Александрович
  • Запалова Светлана Сергеевна
RU2501746C2
ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО 2004
  • Дёринг Торстен
  • Митра Ина
RU2375316C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ ВО ВРЕМЕНИ ИЗМЕНЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ЗАВИСЯЩИХ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЛИ МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ДЛЯ СТЕКЛА ИЛИ СТЕКЛОКЕРАМИКИ 2013
  • Едамцик Ральф
  • Куниш Клеменс
  • Йоханссон Торальф
RU2593917C1
ЗЕРКАЛО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2008
  • Гордеев Сергей Константинович
  • Корчагина Светлана Борисовна
  • Никитин Дмитрий Борисович
  • Химич Юрий Павлович
RU2403595C2
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАВНОМЕРНОГО ПРОГРЕВАНИЯ СТЕКОЛ И/ИЛИ СТЕКЛОКЕРАМИКИ С ПОМОЩЬЮ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2000
  • Фотерингхам Ульрих
  • Эземанн Хауке
  • Гарше-Андрес Маркус
  • Хоппе Бернд
  • Бринкманн Маттиас
  • Гройлих-Хикманн Норберт
RU2245851C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОГО ТЕРМОСТОЙКОГО СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА 2008
  • Дымшиц Ольга Сергеевна
  • Жилин Александр Александрович
  • Шашкин Александр Викторович
RU2375319C1
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2008
  • Струпинский Михаил Леонидович
  • Гречков Владимир Иванович
RU2369046C1

Реферат патента 2016 года СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЛЕГЧЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ

Изобретение относится к изготовлению зеркально-линзовых систем и может быть использовано в оптической и оптоэлектронной промышленности, в том числе при производстве зеркал оптических телескопов. Предложен способ изготовления облегченных оптических зеркал на основании из карбидокремниевой керамики SiSiC и рабочего слоя из оптического боросиликатного стекла, в котором пластину из карбидокремниевой керамики подвергают отжигу на воздухе при температуре 900-1000°C в течение 1,5-2 часов, затем полируют и соединяют с пластиной из боросиликатного стекла методом пайки при температуре 800-850°C в защитной атмосфере в течение 0,5-1 часа. Полученные заготовки шлифуют, полируют и наносят зеркальный отражающий слой по известной технологии. Технический результат - предложенный способ позволяет получать оптические зеркала с прочным, беспористым соединением слоев и хорошей устойчивостью к внешним воздействиям: циклическим изменениям температуры в интервале от минус 30 до плюс 50°C и давлению газовой среды 10-3 Па. 4 пр.

Формула изобретения RU 2 591 209 C1

Способ изготовления облегченных оптических зеркал, у которых основание выполнено из карбидокремниевой керамики SiSiC, отличающийся тем, что основание из карбидокремниевой керамики SiSiC предварительно подвергают отжигу на воздухе при температуре 900-1000°С в течение 1,5-2 часов, полируют поверхность, а затем соединяют с оптическим стеклом боросиликатной системы методом пайки при температуре 800-850°С в защитной атмосфере в течение 0,5-1 часа.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2591209C1

Прибор для наложения Эсмархова жгута 1926
  • Майорский А.Н.
SU9167A1
Стеклокерамическое зеркало 1991
  • Маслов Владимир Петрович
  • Король Юрий Борисович
  • Остафьев Владимир Александрович
  • Комарова Тамара Петровна
SU1805110A1
Оптическое зеркало и способ его изготовления 1981
  • Мешковский Игорь Касьянович
  • Бобашев Владимир Васильевич
  • Волочек Михаил Федорович
  • Зверев Виктор Алексеевич
  • Зубаков Вадим Гаврилович
  • Щаников Анатолий Иванович
  • Мирошниченко Василий Герасимович
SU960706A1
US 5505805 A1, 09.04.1996
ЗЕРКАЛО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2008
  • Гордеев Сергей Константинович
  • Корчагина Светлана Борисовна
  • Никитин Дмитрий Борисович
  • Химич Юрий Павлович
RU2403595C2

RU 2 591 209 C1

Авторы

Миронович Галина Александровна

Ильющенко Александр Федорович

Осипов Владимир Анатольевич

Звонарев Евгений Владимирович

Беляковский Владимир Иванович

Поташников Юрий Михайлович

Даты

2016-07-20Публикация

2015-04-06Подача