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1、毕业设计开题报告毕业设计(论文)开题报告题目：新型铝合金轻质反射镜的研究院（系） 材料与化工学院 专 业 金属材料工程 班 级 080301 姓 名 马延帅 学 号 080301111 导 师 高培虎 2012年3 月 3 日1. 综述（研究背景，研究现状，研究意义）1.1背景天文观察，军事侦察，天气预报，太空探索等都需要大型光学系统，然而反射镜就是这些光学系统的主要部件。随着科技的不断进步，对光学系统的分辨率要求越来越高，光学系统的分辨率为1.22d【1】然而要提高分辨率就要增大反射镜的口径，但是口径的增加有会带来其质量的急剧增加，反射镜的自重会带来一系列的问题。其一，自重增加会引起应力变形

2、；其二，当口径增大时，会引起反射镜的本身温度梯度，因为玻璃是反射镜的主要材料，而玻璃不是热的良导体，难以消除温差，会影响面型。因此减轻质量是重要任务。目前国内外已经出现各种不同材料的轻质反射镜，就研究和应用而言，玻璃轻质反射镜，SiC反射镜和复合型反射镜都有很好的发展前景【2】，但是每种反射镜都有各自的优点和不足。改善轻质反射镜的制备方法，发展轻质反射镜的制备新方法，是当今反射镜研究者面临的重要课题，也是未来轻质反射镜研究的主要方向。 1.2研究现状目前常见的轻质反射镜【2】有玻璃基轻质反射镜，SiC基轻质反射镜，SiC复合材料轻质反射镜，金属基轻质反射镜和复合型轻质反射镜等。对于玻璃基轻质反

3、射金的基体制备方法有机械钻孔法，浇注成型法，高温熔接法等。 表1.1 玻璃基轻质反射镜制备方法比较制备方法优点不足机械钻孔减重法制备方法制备过程简单钻头和磨料的挤压容易使玻璃基体产生裂纹，影响反射效果浇注成型法成型简单，可以制备较复杂的反射镜基体制作过程中容易产生气泡，使反射镜难以达到规定的光学要求高温熔接法主要用于制造大口径轻质反射镜作业温度超出了石英玻璃的快速析出温度，建造高温时困难，基体热变形而出现凹陷 对于SiC基轻质反射镜的基体制备方法有普通烧结法，热压烧结法，反应烧结法等。具有密度低，抗辐射性好，热血性能稳定，比强度和比刚度高的优点。 表1.2 SiC基轻质反射镜的制备方法比较制备

4、方法优点不足普通烧结法简单，成本相对较低坯体收缩较大，致密度不高热压烧结法致密度高可批量生产，周期短，材料结构不能太复杂，不能制备大尺寸试样，抛光精度低反应烧结法高密度 高性能，近净尺寸成型，无明显收缩，工艺周期短，适于大批量生产限制了镜片的厚度，深加工过程中会出现空洞，光学精度降低化学气相沉积法高的致密度和纯度，抛光精度高（可小于0.3nm的水平）光学加工困难多孔泡沫发减小质量达60%80%需要结合化学气相渗透法在表面沉积致密的SiC SiC复合材料基轻质反射镜基体的制备方法有液相硅侵渍法，化学气象渗透法等。具有密度低，热性能优良，高比强度和高比刚度等优点。但由于镜面气孔现象，镜面质量还难以

5、达到全波段的要求，因此还难以应用到全波段的光学系统。 表1.3 SiC复合材料基轻质反射镜制备方法比较制备方法优 点不 足液相硅浸渍法工艺容易实现严格控制C材料的石墨化程度化学气相渗透法控制不同部位密度不同，能达到理论的密度，各向同性，控制制备梯度结构材料，实现近净尺寸成型工艺过程先快后慢，工艺过程缓慢，周期长。成本太高先驱体转化法工艺容易实现气孔不能排除，影响材料的轻度金额反射镜的光学反射效果 金属基轻质反射镜一般用复制法制备，投入的成本低，加工针对性强，而且结构简单，同时，复制法可以制备出一般方法难以成形的反射镜面型。不足在于镜面容易被损伤贴合胶的耐热性差，使用温度受到限制；金属盒贴合胶的

6、外露部分容易被溶液侵蚀，不耐酒精，酸，碱等溶液浸蚀 。 复合型轻质反射镜一般用烧结法制备，具有热传导性好 ，受温度影响变形偏差小，受冲击塑性变形小的优点。但目前所用的烧结法制备的复合型轻质反射镜的两种材料结合处的热收缩效应较大，从而导致烧结成品率低下，影响了产品的性能。每种反射镜因为其使用环境的区别，其制备方法都有各自的特点。针对每种类型的轻质反射镜和其制备方法的不足，为了满足反射镜更高的要求，改善轻质反射镜的制备方法，发展轻质反射镜的制备新方法，是目前轻质反射镜的主要研究方向。本实验采用铝合金材料作为基体，并在铝合金上制备出SiO2梯度机构，以克服金属部件表面的粗糙度较难加工到这么高的水平，

7、制备一种新的轻质反射镜。 1.3研究意义传统的反射镜都是用玻璃制造，铝合金材料作为基体的轻质反射镜是一种新的轻质反射镜，与传统的轻质反射镜相比，具有较高的比刚度，热稳定性和化学稳定性，较低的热变形系数且耐空间粒子辐照，而且大大的减轻了反射镜的重量【3】。克服了纯的玻璃反射部件因为结构造型困难，且玻璃易碎，不易冷加工的缺点。2.主要研究内容2.1铝合金基体表面SiO2涂层的制备及性能研究采用等离子喷涂【4】技术制备SiO2涂，等离子喷涂属于热喷涂的一种，热喷涂【5】是指利用 某种热源，将喷涂材料加热至熔融或半融状态，并以一定的速度喷射到经过一定预处理的表面，从而形成具有一定功能的涂层的表面技术。

8、等离子喷涂是采用等离子弧作为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。喷枪的的电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接整流电源的负极和正极，向喷枪供给工作气体，通过高频火花引燃电弧，气体被加热到很高的温度而电离，在机械压缩效应和热压缩效应的作用下，从喷嘴喷出，形成高温高速的等离子射流。 然后由送粉气体将粉末送入等离子射流，被迅速加热加速，形成熔融或半融状态的粒子束，撞击到预处理过的表面，冷却后形成具有一定功能的涂层【6】。由于反射镜的基体是铝合金，而反射层是玻璃，利用等离子喷涂技术不能一次完成从铝合金到玻璃的完好过度，而且即使完成了也难以达到想要的预期结果，所以采用了多次喷涂，制备出梯度机构的SiO2涂层

9、。多次喷涂时铝合金与玻璃粉末的比例逐渐变化，慢慢的过度到几乎是纯的玻璃涂层。喷涂粉末的粒径约为45um，喷涂前对粉末进行吸潮，以增加粒子的流动性。 表2.1 梯度结构的成分比例成分 第一次第二次第三次第四次第五次铝806040200SiO2203060801002.2反射层的制备及性能研42.2.1镀银的原理【7】先将玻璃进行抛光，然后在其表面进行镀银反应。镀银原理利用醛基与银氨反应产生银镜镀在玻璃上形成镜面CH2OH-(CHOH)4-CHO（葡萄糖）+2Ag(NH3)2OH（银氨溶液）2Ag+3NH3+CH2OH-(CHOH)4-COONH4+H2O（葡萄糖酸铵）2.2.2镀银的操作步骤：玻

10、璃的抛光：目前常用的抛光方法【8】有机械抛光法，化学抛光法，电解抛光法，超声波抛光法，磁研磨抛光法等，本试验采用机械抛光法【9】。抛光基本程序【10】（1）粗抛 经铣、磨等工艺后的表面可以选择转速在 35 000 40 000 rpm 的旋转表面抛光机进行抛光。然后是手工油石研磨，条状油石加煤油作为润滑剂或冷却剂。一般的使用顺序为 #180 #240 #320 #400 #600 #800 #1000 。（2）半精抛 半精抛主要使用砂纸和煤油。砂纸的号数依次为： #400 #600 #800 #1000 #1200 #1500 。（3）精抛 精抛主要使用钻石研磨膏。用抛光布轮混合钻石研磨粉或研

11、磨膏进行研磨，通常的研磨顺序是 9 m （ #1800 ） 6 m （ #3000 ） 3 m （ #8000 ）。 9 m 的钻石研磨膏和抛光布轮可用来去除 #1200 和 #1500 号砂纸留下的发状磨痕。接着用粘毡和钻石研磨膏进行抛光，顺序为 1 m （ #14000 ） 1/2 m （ #60000 ） 1/4 m （ #100000 ）。 镀银的程序【11】1.玻璃片的清洗：将普通玻璃片放入10%的NaOH溶液中浸泡3分钟，超生波震荡取出，用蒸馏水冲洗干净。（玻璃片上不挂水珠为干净）2.加热 用水浴锅加热水至沸腾，将洗净的玻璃片放置于水浴锅上，加热。3.制银： 取银氨溶液5mL于试管

12、中，加入的10%葡萄糖（5mL）充分摇匀后，立即倒在玻璃片中心，然后将玻璃板前后左右的摇动，让溶液布满整个玻璃表面，一会儿观察到有银析出，待出现光亮的银镜后，过510分钟左右用蒸馏水冲洗掉剩余的反应液，取下玻璃片用吹风机吹干或者放置于通风处晾干。2.2.3银反射层的保护 镀银层的保护采用在银的表面均匀的喷一层透明的环氧树脂气凝胶【12】，气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶是一种固体，但是99%都是由气体构成，外观看起来像云一样，半透明。 环氧树脂环氧树脂具有良好的物理化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异

13、的粘接强度，介电性能良好，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定。 反射率的测定利用分光光度计进行对镀银层的反射率测定，分光光度计【15】是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析。其原理【16-17】是采用一个可以产生多个波长的光源，通过系列分光装置，从而产生特定波长的光源，光源透过测试的样品后，部分光源被吸收，计算样品的吸光值，从而转化成样品的浓度。样品的吸光值与样品的浓度成正比。 3.研究重点难点及前期工作3.1重点难点 本实验的重点在于梯度结构的SiO2涂层的制备，以及反射面镀银层的保护。梯度结构的制备采用等离子喷涂技术以不

14、同的成分多次喷涂，制备梯度结构的玻璃层。至于镀银层的保护采用在银的外面再均匀的喷一层SiO2气凝胶。3.2前期已做工作学习了等离子喷涂设备，超音速火焰喷涂设备，并且学习这些设备是如何实际操作的，以及操作过程中的一些参数的控制。一些主要参数包括弧电压，弧电流，氢气压力，氮气压力。操作步骤打开电源开关净化（喷枪嘴）高频检查主电源点火调节参数。 图3.1 ZB-80型等离子喷涂设备 图3.2机械手 图3.3 送粉器4.完成工作的方案及进度计划4.1方案本实验采用等离子喷涂技术将铝合金基体和玻璃融合在一起，具体是以不同比例的混合方式多次喷涂制备出SiO2的梯度结构，并在玻璃上进行抛光镀银等，最后在银的

15、表面喷一层透明的环氧树脂气凝胶，制备出完整的反射镜，并对镜面进行性能测试（反射率，硬度）。方案进行安排在铝合金基体上制备制备SiO2梯度结构 在制备好的SiO2梯度结构表面进行抛光 在抛光面进行镀银 对镀银层进行喷涂SiO2气凝胶保护其表面对表面的性能进行测试（反射率，硬度等）4.2进度计划1-3周 查阅资料撰写开题报告3周 了解相关设备，开题4-6周 制备梯度结构的SiO2涂层7-9周 反射面的抛光10-13周 制备反射层（镀银）及反射层的保护13-15周 性能分析15-18周 论文的撰写参考文献1齐亚范，方敬忠，杨力等, 轻型反射镜研究与发展, 光学技术航空材料学报，2005，25（2）：

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