[发明专利]基于β-锂霞石和氧化物的陶瓷复合材料,和制造所述复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明的领域是适合于制备用于太空应用的光学组件(如镜子)的复合材料，和光学结构(也称为结构组件)的制备，所述光学结构的功能为定位和支撑光学组件。 

背景技术

太空观测的整体趋势是增加镜子的直径，以为了观测宇宙以及例如从地球静止轨道观测地球的未来科学任务。因此，在不久的将来，将会有对极其稳定的复合材料的需要，所述复合材料允许达到很高程度的照亮，并同时仍是刚性且坚固的，能够制备直径大于2m且每单位面积重量少于25kg/m^-2的镜子。为获得尺寸稳定的镜子，寻求在约环境温度和/或低于环境温度时具有很低的CTE(热膨胀系数)的用于低温应用(例如红外观测)的复合材料。 

为了能够保证图像质量，如望远镜结构的光学结构本身在尺寸稳定性方面也受到非常严格的要求。另外，增加它们的尺寸要求复合材料能达到高程度的照亮，并同时仍是刚性且坚固的。 

对此类应用，已知具有良好尺寸稳定性，即小于1.3×10^-6K^-1的正的热膨胀系数的复合材料。例如，存在称为对应于注册商标的Zerodur的复合材料。Zerodur是广泛用于制备用在地球和太空的镜子的玻璃陶瓷。它在室温下具有非常低的热膨胀系数(2×10^-8K^-1)，优良的光学性质和低密度(d＝2.54)。但是，其适度的机械性能严重限制了其发光能力。由 制成的镜子的每单位面积最小质量是约35-40kg/m^-2。设想Zerodur用于直径大于1.5m的太空镜子有些不切实际。 

发明内容

本发明的一个目的在于提供显示与太空应用相适应的良好尺寸稳 定性和能够制备大型光学组件和结构的良好机械性质的复合材料。 

本发明的另一个目的是提供可从简单的制造方法获得的此类复合材料。 

为此目的，本发明的一个主题是具有小于1.3×10^-6K^-1的热膨胀系数的复合材料，所述复合材料是基于氧化物和β-锂霞石晶体的烧结陶瓷，其β-锂霞石含量少于约55重量％(约70体积％)，所述氧化物能在低于β-锂霞石熔点的温度下烧结，且具有大于100GPa的杨氏模量和大于100MPa的测得的弯曲强度。 

有利地，该β-锂霞石具有大于约6μm的晶粒大小。 

有利地，该β-锂霞石晶粒有微裂纹。 

在第一具体实施方式中，该氧化物是氧化铝。 

有利地，该氧化物由烧结纳米级氧化铝晶体获得。 

在第二具体实施方式中，该氧化物是氧化锆。 

有利地，该氧化锆掺杂四价元素，例如氧化铈。 

本发明的另一个主题是用以太空应用的光学组件，其由本发明的复合材料制成。 

本方面的另一个主题是用以定位和支撑至少一种用以太空应用的光学组件的结构组件，该结构组件由本发明的复合材料制成。 

本发明的另一个主题是包括光学组件和结构组件的光学器件，光学组件和结构组件两者均由本发明的复合材料制成。 

有利地，该光学器件包括光学组件和结构元件，光学组件和结构元件两者均由同样的复合材料制成。 

本发明的另一个主题是制造本发明的复合材料的方法，该方法包括制备第一粉末共混物的步骤，其中将结晶形式的氧化物粉末与结晶形式的β-锂霞石粉末共混，和热处理步骤，该步骤用于加热获自第一共混物的氧化物和β-锂霞石的复合材料以烧结该氧化物。 

有利地，该热处理步骤在于在热处理条件下，将该氧化物和该β-锂霞石的复合材料加热至β-锂霞石熔点以下的烧结温度。 

有利地，该方法包括制造β-锂霞石粉末的步骤，该步骤包括： 

-制备具有合适比例的碳酸锂粉末、氧化铝粉末和二氧化硅粉末的共混物以获得β-锂霞石的步骤； 

-煅烧获自共混物的粉末以获得β-锂霞石的步骤；和 

-热处理步骤以使β-锂霞石晶粒生长并断裂。 

有利地，所述煅烧步骤包括将温度升高到最高温度的步骤，随后在温度达到最高温度之后立即开始降低温度的步骤。 

具体实施方式