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▲空間望遠鏡（來源：網絡）

空間望遠鏡是人類研究探索宇宙的最重要和最直接的工具，它的發展關系到人類對宇宙研究的速度和進程，是人類發展進步，認識自然界的一個重要科學手段。而空間反射鏡是空間望遠鏡的最重要組成部分，也是制約空間望遠鏡發展的一個關鍵因素。突破大口徑、高分辨率空間反射鏡的設計及制造，是解決空間望遠鏡技術的重大技術瓶頸問題、對促進我國空間科學事業的發展具有重大意義。

大口徑反射鏡制造，碳化硅備受青睞

反射鏡如此重要，該用什么材料來做呢？目前，反射鏡材料主要包括玻璃材料、低膨脹金屬材料、陶瓷材料以及復合材料等。玻璃材料是第一代反射鏡材料，常用的有ULE和Zerodur等。玻璃材料的熱膨脹系數很低，且光學加工性能優良，但玻璃材料的熱導率低，比剛度較差。第二代反射鏡材料是低膨脹金屬材料，主要包括Al和Be等，金屬材料的導熱性能優良，但熱膨脹系數相對較大，其面形精度容易受溫度影響。同時Al的比剛度低，而金屬Be雖然比剛度較高但有毒，對人體會產生致命損害，因此，在生產過程中需要有嚴格的安全措施。

碳化硅（SiC）材料屬于第三代反射鏡材料。該材料化學穩定性好、耐空間粒子輻照性能優異、熱膨脹系數低、彈性模量高，且具有較好的導熱性能。

▲常見反射鏡材料性能對比

從表中可以看出碳化硅材料具有最高的剛度，良好的導熱性，較低的線膨脹系數，這使得在實現同樣的光學口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡具有更小的重量、更優的熱穩定性，且能制造大尺寸的鏡坯。而隨著碳化硅材料在鏡坯制造、改性、光學加工、鍍膜等完整的光學零件加工工藝方法上逐漸成熟，在大口徑的空間光學系統中尤為受到青睞。 

碳化硅制造的局限性和難點

一般來說，空間反射鏡的口徑越大，成像效果越好，光學系統的整體質量也會隨之增加。這也意味著發射成本及難度的上升。碳化硅作為性能優異的結構陶瓷材料，可制備成輕質、高強度、高精度和高尺寸穩定性的精密碳化硅陶瓷部件。傳統陶瓷成型工藝都需要借助事先制好的模具才能制備出具有一定形狀和強度的陶瓷部件，流程耗時長、成本高。而且SiC也是一種Si-C鍵很強的共價鍵化合物，具有硬度高和脆性大的特點，難以機械加工，傳統成型方法如注漿成型、等靜壓成型和擠出成型等，在大尺寸、輕量化、復雜結構的碳化硅反射鏡成型方面具有一定的局限性。

▲傳統陶瓷成型與3D打印成型工藝特性對比

隨著光學元件孔徑的增大，碳化硅反射鏡與支撐結構的一體化設計將導致其結構更加復雜，這是采用傳統的陶瓷成型燒結技術難以實現的。而相比于傳統的成型技術，3D打印技術具有智能、無模、精密、高復雜度的制造能力。它能夠完成傳統工藝不可能完成的制造。不過相對于塑料或金屬有固定的熔點，通過加熱融化后就可以進行粘貼。而碳化物陶瓷沒有熔點，如碳化硅會在高溫下氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體、激光的作用下直接分解，導致無法直接3D打印，需打印出一個素坯再去燒結。

目前，大多數3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量較低、硅含量較高、力學性能較低。如直接墨水書寫（DIW）的墨水中的固相含量太低，會導致陶瓷坯體致密度較低；激光打印在燒結過程中產生的熱應力難以避免產生裂紋，導致最終產品力學性能較差；而粘結劑噴射（BJP）限制了粉末填充密度，導致SiC體積分數受限；立體光刻（SLA）雖然能夠制備出高強度、高精度、高結構均一性和復雜性的陶瓷坯體，但由于碳化硅的吸光特性，導致其在制備碳化硅部件時仍存在諸多技術瓶頸。因此，在提高碳化硅陶瓷的加工效率、降低制備成本成為急需解決的問題。

PEP技術，打開碳化硅反射鏡輕量一體化制造大門

從碳化硅陶瓷的素坯成型工藝入手，并結合適宜的燒結工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續加工量，并保證產品性能滿足使用要求，這將成為復雜結構碳化硅陶瓷制備工藝的主要研究方向。升華三維通過國內首創的粉末擠出打印技術（PEP）已實現直徑0.5米碳化硅反射鏡坯體的一體化制造，且成功將碳化硅陶瓷制備商業化，這為生產高性能碳化硅陶瓷構件打開了大門。也為實現碳化硅陶瓷復雜結構部件的大尺寸、輕量化、一體化制備提供了新途徑。

▲UPS-556打印的碳化硅反射鏡坯體（來源：升華三維）

PEP技術是一種將“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬/陶瓷間接3D打印技術。該工藝合理避開以激光為能量源的3D打印，采取材料擠出方式，由于擠壓噴頭系統構造原理和操作簡單，更好地縮減了投入成本。

在碳化硅反射鏡坯制備案例中，升華三維利用了該技術低溫成形，高溫成性的特點，將自主研發的碳化碳顆粒材料UPGM-SIC，通過3D打印成型系統實現了鏡坯的輕量化設計、一體化、大尺寸成型，打印出具有一定強度和密度的生坯。再結合陶瓷注射成型的脫脂燒結工藝，得到了致密度可高達99%，機械性能穩定、近凈成型的鏡坯。因PEP技術將熱加工過程轉移到燒結步驟，使得更容易管理熱應力，熱量可以更均勻地被施加，確保其性能的一致性。

▲升華三維碳化硅陶瓷燒結件力學性能

在商業案例中，上海硅酸鹽研究所利用升華三維的大尺寸獨立雙噴嘴打印機UPS-556系統，藉由展開的高性能結構陶瓷和陶瓷基復合材料等應用的研究取得重大進展，成功制備了碳化硅陶瓷光學元件等高附加值組件，獲得廣泛關注。

▲上海硅酸鹽研究所利用UPS-556成功制備的碳化硅陶瓷光學元件及其性能（*相關資料及數據來自研究團隊已公開專利）

光學反射鏡的口徑越大，衍射效應越小，意味著光的匯聚能力越強，分辨率就越高。大尺寸、輕量化碳化硅反射鏡的成功制備，可有力支撐國家遙感衛星發展和空間基礎設施建設，提升我國在遙感探測技術領域的核心競爭力。

升華三維作為中國金屬·陶瓷間接3D打印技術的開拓者和領航者，現已具備了碳化硅陶瓷復雜結構部件制備能力，并朝著超大尺寸、超輕量化方向積極探索。PEP工藝有望改變碳化硅反射鏡生產制造方式，滿足大尺寸、輕量化、一體化設計制造需求。可大幅降低成本，縮短研發生產周期，在商業航天領域發展最快的遙感衛星上有巨大市場空間。

升華三維將繼續堅持創新發展，實現碳化硅陶瓷復合材料等更多先進材料的研發與制造，通過前瞻布局新技術新產業，不斷挖掘技術潛力，積極投身中國空間事業發展中，為探索浩瀚太空注入新的力量。

▲升華三維陶瓷間接3D打印工藝