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一塊比一塊做得更好

2012年，第一塊4米碳化硅反射鏡坯剛出爐，還沒來得及讓張學(xué)軍看一眼，就被趙文興下令砸了。望著有較大裂紋且炸裂的鏡坯，趙文興迫不及待地想弄清楚問題究竟出在哪兒。

5個小伙子整整砸了一天半，揚起的粉塵彌漫了整個實驗室，終于把出現(xiàn)裂紋的具體位置找了出來。

鏡坯制備是制造碳化硅反射鏡的第一步。把微米級的碳化硅粉末變成鏡坯，是怎樣實現(xiàn)的？為什么要把燒壞的鏡坯砸了？趙文興提出了用凝膠注模成型結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)的技術(shù)路線。成型過程就像做“果凍”，先把碳化硅粉末通過凝膠注模成型，做成想要的形狀，再通過一系列工藝排出“果凍”中的水分，并將“果凍”中的有機物變成碳，形成具有毛細(xì)微孔的多孔塊體。

最后把多孔塊體與硅放到一起反應(yīng)燒結(jié)，形成致密的碳化硅反射鏡坯。此時的鏡坯是黑乎乎的一塊，大家給它起了一個綽號——“出土文物”。“反應(yīng)燒結(jié)中工藝參數(shù)的選擇、控制，類似于‘蒸饅頭’需控制蒸制時間、火候、氣氛等，這對鏡坯燒結(jié)的成敗有很大影響。”長春光機所光學(xué)中心主任張舸說。

砸了第一塊鏡坯，趙文興根據(jù)裂紋出現(xiàn)的位置，通過模擬計算，優(yōu)化了鏡坯反應(yīng)燒結(jié)工藝參數(shù)，為4米碳化硅反射鏡坯的成功制備奠定了基礎(chǔ)。

反應(yīng)燒結(jié)后的4米碳化硅反射鏡坯。

4米高溫真空燒結(jié)爐。

2010年至2016年，團隊一共開展了5次4米碳化硅反射鏡坯制備試驗。第一塊、第二塊鏡坯裂紋寬度都在10毫米以上，第三塊、第四塊鏡坯裂紋逐漸縮小。直到2016年第五次試驗，鏡坯才研制成功。

在長春光機所的花園里，至今還留有2015年研制的第四塊碳化硅反射鏡坯。它呈圓餅形，直徑4.03米，中間留有一孔，整體仿佛一只圓溜溜的眼睛，在陽光照耀下閃動著灰藍(lán)色的光。它已經(jīng)成為長春光機所一處地標(biāo)性景觀。鏡面有幾條頭發(fā)絲粗細(xì)的裂紋，但鏡前婆娑的樹影依然能纖毫畢見地映照其中。

雖然4米碳化硅反射鏡坯制備試驗只有5次，但其間1米、2米、2.5米、3米鏡坯制備試驗，他們做了若干次。失敗的次數(shù)遠(yuǎn)比成功多，特別磨人。試驗不順利時，趙文興總會搖著頭躲進屋里，一會兒寫一張字條遞出來，讓大家完善試驗方案；再過一會兒，他可能又興致勃勃地跑出來，找人一起總結(jié)、討論。

在張舸看來，趙文興雖然五十幾歲了，“勁頭卻像小伙子”。有一次，趙文興在所里一邊騎自行車一邊思考科研問題，被一輛小汽車蹭到。其實，小汽車司機已按喇叭提醒他了，他因為過于專注愣是沒聽見。

加工到極致平整

加工一面普通鏡子，尚且要做到平整，對于反射鏡而言，這一要求更是達(dá)到了極致——4米碳化硅反射鏡的面形精度甚至不能超過20納米。“如果等比放大，相當(dāng)于把北京五環(huán)內(nèi)的地面平整到高低差小于1毫米。”張學(xué)軍說。

這么苛刻的要求，他們是怎么達(dá)到的？

2011年，長春光機所接到2米碳化硅反射鏡的加工任務(wù)。當(dāng)時的成熟技術(shù)是小磨頭加工，但做不到“指哪兒打哪兒”。張學(xué)軍提議，將提前布局的磁流變技術(shù)投入應(yīng)用。

磁流變具有拋光精度高、材料去除確定性高等優(yōu)點，可實現(xiàn)近零亞表面損傷和納米級精度拋光。美國QED公司掌握了磁流變的核心技術(shù)，但公開報道中最大只做到1.8米反射鏡。之后，再無任何更大口徑的反射鏡論文發(fā)表。

能否采用磁流變技術(shù)超越國外的拋光水平，團隊一開始心里沒底。他們做好兩手準(zhǔn)備，一方面向國外訂購2米反射鏡，另一方面積極自主研發(fā)。可是錢已付給了國外廠商，對方也完成了加工，臨交貨卻以“許可證過期”為由拒絕供貨。

“背水一戰(zhàn)”的局面，激發(fā)了科研人員的最大斗志。團隊成員劉振宇、李龍響、李英杰等不分晝夜地刻苦攻關(guān)，終于將2米碳化硅反射鏡打磨成功。這是世界上首次將磁流變技術(shù)投入到大口徑反射鏡的工程應(yīng)用中。

后來，2米碳化硅反射鏡制造技術(shù)應(yīng)用在巡天空間望遠(yuǎn)鏡上。這臺望遠(yuǎn)鏡是未來十年國際上最重要的空間天文觀測儀器之一，被稱為“中國哈勃”。

還沒等大家松一口氣，打磨4米碳化硅反射鏡的任務(wù)又來了。這時，精度和效率的矛盾凸顯出來：采用同樣的工序，加工2米反射鏡需要8個月，而加工4米反射鏡則需要64個月，很難做到又快又好。

李龍響介紹，磁流變拋光技術(shù)中的拋光輪是一個碩大的輪子，重達(dá)上百公斤。它在離鏡面不到2毫米的空間作業(yè)，稍微控制不好就會觸碰鏡面形成裂紋，導(dǎo)致反射鏡報廢。即便一切順利，能否加工出精度合格的反射鏡也是未知數(shù)。

使用原有的小磨頭、應(yīng)力盤等技術(shù)頂多是延長工期，可一旦磁流變技術(shù)失敗，就是反射鏡有無的問題。敢不敢冒這個險？大家躊躇不決。最后，還是張學(xué)軍拍板：“你們放心大膽去用磁流變，只要足夠細(xì)心，咱們肯定能夠成功。”

在長春光機所光學(xué)樓的4米加工實驗室，科研人員夜以繼日采用砂輪磨削、小磨頭、磁流變等技術(shù)，將4米碳化硅反射鏡的面形精度從毫米加工到納米。反射鏡最終的面形精度達(dá)到15.2納米，實現(xiàn)了國際領(lǐng)先。

銑磨后的4米碳化硅反射鏡。

4米磁流變拋光裝備。

讓“出土文物”明眸善睞

對于碳化硅反射鏡制造來說，改性能讓反射鏡表面更加平整，鍍膜則堪稱“點睛之筆”。只有鍍了膜，它才有神采，才能明眸善睞。

4米碳化硅反射鏡采用真空鍍膜工藝。國外的大口徑改性/鍍膜裝備幾乎都是圓形的，長春光機所的改性/鍍膜裝備卻是長方形的。這又是為什么呢？

其實，團隊最初使用的也是圓形改性/鍍膜裝備，但他們很快發(fā)現(xiàn)，圓形改性/鍍膜裝備要求反射鏡中心必須有一個孔，否則鍍膜后的反射鏡將無法使用。

“可不可以讓固定的靶材‘跑’起來？”一個大膽的想法在高勁松腦海中閃現(xiàn)。這樣一來，即使將來反射鏡中間沒有孔，也能順利完成鍍制，改性/鍍膜裝備也因此變成了獨特的方形。采用該裝備，長春光機所在4米口徑范圍內(nèi)將膜厚不均勻性控制在5%以內(nèi)。

然而，實驗樣品剛從裝備里拿出來時還不錯，但不一會兒膜層就一點點開裂、剝落。有時像放煙花一樣，星星點點的小碎末往上蹦；有時形成一條條“小裂谷”，膜層從鏡面成片翹起。沒過多久，整個鏡面布滿灰塵一樣的碎末，一吹便散了。最差的時候，不到一個小時膜層就掉得干干凈凈。看到這樣的場景，團隊成員急得在辦公室里來回踱步。

高勁松、時任長春光機所光學(xué)中心薄膜室主任王笑夷帶領(lǐng)團隊進行研究，經(jīng)過團隊成員劉震、劉海、王延超等半年多的反復(fù)實驗和調(diào)整才找到合適的工藝參數(shù)，最終將磁控濺射技術(shù)應(yīng)用于4米碳化硅反射鏡表面改性/鍍膜。這在國內(nèi)外都屬于首次。

鍍膜后的4米碳化硅反射鏡。

4米磁控濺射鍍膜機。

他們最終完成了改性膜層/高反射膜層的鍍制，此時的4米碳化硅反射鏡才算“破繭成蝶”，蛻變成真正的反射鏡。至此，國際上公開報道口徑最大的4.03米碳化硅反射鏡研制成功。

實現(xiàn)全鏈路制造

大口徑反射鏡在高分辨率空間對地觀測、深空探測、天文觀測等領(lǐng)域具有迫切需求，國內(nèi)多家科研機構(gòu)、高校相繼開展了相關(guān)研究。其中，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國建筑材料科學(xué)研究總院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等以碳化硅反射鏡坯制備為主，北京空間機電研究所、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所等以反射鏡加工技術(shù)為主，長春光機所則以碳化硅反射鏡坯制備、光學(xué)加工與檢測、改性與鍍膜等全鏈路制造為目標(biāo)。

為什么要做全鏈路？這與長春光機所建所以來，王大珩等老一輩科學(xué)家提出的科研單位要“一竿子插到底”的目標(biāo)密切相關(guān)。他們本著“時時放心不下、處處放心不下”的危機感，主張從基礎(chǔ)理論到研究、設(shè)計、制造、裝調(diào)、檢驗和試驗所有環(huán)節(jié)入手，為社會經(jīng)濟和國家安全提供重要裝備。

在4米碳化硅反射鏡技術(shù)攻關(guān)過程中，長春光機所自主設(shè)計、研制了以4米高溫真空燒結(jié)爐、4米磁流變拋光裝備、FSGJ-4型非球面數(shù)控光學(xué)加工中心、4米磁控濺射鍍膜機為代表的反射鏡坯制備、光學(xué)加工與檢測、改性與鍍膜所需的30余臺套大型裝備，并自主開發(fā)了磁流變拋光控制、數(shù)控加工控制、3D輪廓檢測、面形檢測、膜層厚度檢測等反射鏡加工及檢測軟件，真正實現(xiàn)了大口徑碳化硅反射鏡全鏈路制造。

多功能立式光學(xué)檢測裝備。長春光機所供圖

2018年8月，國家重大科研裝備研制項目“4米量級高精度SiC非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”順利通過驗收。中國工程院院士金國藩、潘君驊等驗收組專家認(rèn)為：“該項目是我國在大口徑光學(xué)制造領(lǐng)域的重大技術(shù)突破，形成了大口徑系列反射鏡研制能力，為我國大型光電系統(tǒng)研制解決了核心技術(shù)難題。”

2018年12月，在“大口徑碳化硅光學(xué)復(fù)雜曲面高效高精度制造技術(shù)”科技成果鑒定中，中國工程院院士姜會林等鑒定組專家認(rèn)為：“該項目研發(fā)難度極大，創(chuàng)新性與引領(lǐng)性很強，核心關(guān)鍵技術(shù)、原材料、軟件和裝備完全自主可控，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，研究成果整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。”

目前，長春光機所研制的大口徑碳化硅反射鏡已應(yīng)用于多項國家重大工程任務(wù)。與此同時，長春光機所面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場，立足團隊研究成果，孵化了多家高新技術(shù)企業(yè)，實現(xiàn)了以碳化硅陶瓷及其復(fù)合材料制品、中大口徑非球面及自由曲面的高端精密光學(xué)元件加工與檢測裝備、新型光譜濾光片及基于光譜濾光片的成像光譜儀等為代表的高科技成果轉(zhuǎn)化。延伸出來的技術(shù)、產(chǎn)品已經(jīng)開花結(jié)果，廣泛應(yīng)用于我國半導(dǎo)體裝備制造、汽車、生物醫(yī)療、食品衛(wèi)生、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，有力促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、快速發(fā)展。

（《中國科學(xué)報》 記者 溫才妃）