刘桂玲1，陈健1，黄政仁1,2，刘学建1

(1. 中国科学院上海硅酸盐研究所，结构陶瓷工程中心，上海 200050；2. 中国科学院上海硅酸盐研究所，

高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海 200050)

摘要：为深入了解碳化硅陶瓷的光学表面加工性能，采用常压固相烧结法制备了碳化硅陶瓷，在保证致密度的前提下，通过改变碳的含量，研究了残余碳对SiC陶瓷抛光面的表面质量和光学性能的影响。研究发现，C的质量含量为3%～7%时，SiC陶瓷抛光表面的RMS (root mean square)粗糙度均约为2nm。当C含量为3%～6%时，SiC陶瓷抛光表面在400～750nm波段的全反射率、漫反射率和镜面反射率无明显变化；当C含量升至7%时，全反射率稍有降低，漫反射率稍有上升，镜面反射率稍有降低。其原因可能是过多的残余碳引起SiC陶瓷的折射率下降和产生光学散射，最终造成镜面反射率降低。

关键词：碳化硅；残余碳；光学表面加工；反射率

中图分类号：TH16 文献标志码：A 文章编号：0454–58(2010)08–1523–04

EFFECT OF RESIDUAL CARBON ON OPTICAL SURFACE MACHINING QUALITY OF

SILICON CARBIDE CERAMICS

LIU Guiling1，CHEN Jian1，HUANG Zhengren1,2，LIU Xuejian1

(1. Structural Ceramics Engineering Center of Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Science, Shanghai 200050;

2. State Key Laboratory of High Performance Ceramics and Superfine Microstructure, Shanghai Institute of Ceramics,

Chinese Academy of Science, Shanghai 200050, China)

Abstract: In order to further study the machining quality of optical surface of silicon carbide (SiC) ceramics, dense SiC ceramics were prepared by pressureless sintering technique. The effect of residual carbon on surface quality and the optical properties of SiC ceramics after polishing were investigated by changing the carbon content with constant density. The experimental results show that when the carbon content is 3%–7% in mass, the surface RMS (root mean square) roughness of polished SiC ceramics remains at a level of about 2nm. When the carbon content is ranged at 3%–6% in mass, the total reflectance, diffused reflectance and specular reflectance of SiC ceramics after polishing within 400–750nm wavelength range do not change significantly. When the carbon con-tent increases to 7%, the total reflectance decreases in some sort, the diffused reflectance increases, and the specular reflectance de-creases. The reason might be that the excessive carbon residual causes the reflective index of SiC ceramics decreasing, and generating optical diffusion, finally resulting in the reduction of specular reflectance.

Key words: silicon carbide; residual carbon; optical surface machining; surface roughness; reflectance

碳化硅材料具有一系列优良的物理化学性能，如：较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数和耐热冲击性、高的比刚度、高度的尺寸稳定性、热性能与机械性能各向同性及高反射性能等，是各种高性能、特殊环境应用镜片的理想材料，正逐步取代传统材料应用于光学领域。[1–2]光学零件的表面质量是决定光学系统性能的关键因素，较差的表面质量会降低成像分辨率，其散射将造成很大的能量损失，同时在光路中带入大量杂光，从而使整个系统的性能指标大大降低，严重时根本无法成像。

在常压固相烧结法制备碳化硅(SiC)陶瓷的过

收稿日期：2010–02–06。修改稿收到日期：2010–02–28。第一作者：刘桂玲(1983—)，女，博士，助理研究员。

通讯作者：黄政仁(1965—)，男，研究员。Received date:2010–02–06. Approved date: 2010–02–28. First author: LIU Guiling (1983–), female, Ph.D., research associate. E-mail: glliu@mail.sic.ac.cn

Correspondent author: HUANG Zhengren (1965–), male, professor. E-mail: zhrhuang@mail.sic.ac.cn

第38卷第8期2010年8月

硅酸盐学报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

Vol. 38，No. 8

August，2010硅酸盐学报

· 1524 ·2010年程中，通常需要引入一定量的烧结助剂(含B和C

元素)。[3–5]其中，烧结助剂C可以去除SiC颗粒表面的氧化层，以提高致密化驱动力；此外，少量的残余C还可以起到抑制晶粒生长的作用。残余C通常聚集在SiC晶粒的三角晶界处，残余C与SiC晶粒的力学性能相差悬殊，这对于SiC陶瓷的光学表面加工质量可能会造成影响；此外，残余C可能会产生较强的光学吸收、漫反射或散射，可能会对SiC 陶瓷的表面光学性能造成影响。

因此，研究残余C对SiC陶瓷光学表面加工性能的影响，对于SiC陶瓷在光学领域的应用具有非常重要的意义。

1 实验

1.1 样品制备

实验采用常压固相烧结法制备SiC陶瓷。所用原料为平均粒径为0.5μm、纯度>99%的SiC粉体(挪威Norton Co. 产)，碳化硼(B4C)和炭黑(C)作为烧结助剂，按质量计，C的添加量为w(C)=3%～7%。样品成型后，在2200℃，Ar气气氛下烧结，获得致密的SiC陶瓷，致密度达到99%以上。

采用传统机械抛光对SiC陶瓷进行光学表面加工，SiC陶瓷经双面磨平、粗磨和细磨后，依次经5，3μm和1μm金刚石悬浮液抛光，抛光表面依次经丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水超声清洗各10min，吹干保存。

1.2 样品表征

用日本Rigaku公司产D/max 2550V型X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)仪分析SiC陶瓷样品的组成，2θ角为20°～70°。用JSM–6700F型场发射扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)观测SiC陶瓷抛光表面的形貌。用SPI3800N & SPA300HV型原子力显微镜(atom force microscope，AFM)测量抛光表面的表面粗糙度[均方根值(root mean square，RMS)]。用Cary 500型紫外–可见–近红外分光光度计测量SiC陶瓷抛光表面的全反射率、漫反射率，由全反射率和漫反射率的差值得出镜面反射率。

2 结果与讨论

2.1残余碳的形态及特征

图1为常压固相烧结SiC陶瓷的XRD谱。由图1可以看出：SiC陶瓷中主要为6H-SiC，4H-SiC 和少量的残余C，残余C主要以石墨的形态存在。

图1 常压固相烧结制备的SiC陶瓷的XRD谱

Fig.1 X-ray diffraction (XRD) pattern of SiC ceramic

prepared by pressureless sintering

图2为常压固相烧结SiC陶瓷抛光表面的SEM 照片，其中，图2a为背散射电子图像，图2b为二次电子图像。由图2可以看出：SiC陶瓷抛光表面有少量的残余C存在，残余C在SiC基体中分布均匀，尺寸小于2μm (见图2a)；经光学表面加工后，

图2 SiC陶瓷抛光表面的SEM照片

Fig.2 Scanning electron microscope (SEM) photographs of surface of SiC ceramic polished刘桂玲等：残余碳对碳化硅陶瓷光学表面加工性能的影响· 1525 ·第38卷第8期

残余C部分被破坏，主要表现为破碎(见图2b)。这

说明在光学表面加工过程中，残余C容易被破坏，

可能会影响光学表面加工质量。

2.2 残余碳对表面质量的影响

光学表面加工质量通常以表面粗糙度来表征。图3为C含量与SiC陶瓷抛光后表面粗糙度的关系曲线。由图3可以看出：C含量在3%～7%范围内，随着C含量的增加，表面粗糙度无明显变化，均为2nm RMS左右。这说明，尽管残余C在光学表面加工过程中遭到破坏，但是对表面粗糙度的影响微乎其微。其原因一方面是在光学表面加工过程中残余C的破坏程度较低，造成的表面起伏较小，对表面粗糙度的贡献较小；另一方面，残余C的含量较低，而且残余C部分破坏，对表面粗糙度的贡献较小。因此，当C含量在3%～7%范围内时，残余C 对光学表面加工质量的影响很小。

图3 具有不同C含量的SiC陶瓷抛光表面的表面RMS粗糙度

Fig.3 RMS (root mean square) surface roughness of SiC ceramics with different C contents in mass

2.3残余碳对光学性能的影响

图4、图5和图6分别为不同C含量SiC陶瓷抛光表面在400～750nm波段的全反射率、漫反射率和镜面反射率。由图4～图6可以看出：当C含量为3%～6%时，SiC陶瓷抛光表面在400～750nm 波段的全反射率、漫反射率和镜面反射率均无明显变化。当C含量为7%时，全反射率稍有下降(绝对值约为0.5%)，漫反射率稍有上升(绝对值约为0.4%)，镜面反射率稍有下降(绝对值约为1%)。

其原因可能是因为当C含量过多时，残余C的存在足以使SiC陶瓷的折射率下降，使其全反射率稍有降低。此外，文献[6–8]的结果表明，表面粗糙

图4 不同C含量SiC陶瓷抛光表面在400～750nm波段的全反射率

Fig.4 Total reflectance of SiC ceramics with different C con- tents after polishing within 400–750nm wavelength

range

图5 不同C含量SiC陶瓷抛光表面在400～750nm波段的漫反射率

Fig.5 Diffuse reflectance of SiC ceramics with different C contents after polishing within 400–750nm wavelength

range

度和显微结构(如：气孔、晶界和显微缺陷等)会造成光学吸收或散射。因此，残余C以及其在加工过程中被破坏所形成的缺陷均会产生光学吸收或散射，使漫反射率升高，最终造成镜面反射率降低。当残余C较多(7%)时，被破坏的C相较多，造成的光学吸收或散射也相应较大，于是漫反射率有所上升。当C含量为7%时，在全反射率下降和漫反射率上升的共同作用下，使镜面反射率有所下降。

需要指出的是，尽管当C含量升至7%时，漫反射率稍有升高，但此时平均值小于0.8%，就是当硅酸盐学报

· 1526 ·2010年

图6 不同C含量SiC陶瓷抛光表面在400～750nm波段的镜面反射率

Fig.6 Specular reflectance of SiC ceramics with different C contents after polishing within 400–750nm wavelength

range

含量在3%～7%范围内时，SiC陶瓷光学表面的漫反射率均小于0.8%(见图5)。这说明SiC陶瓷光学表面加工后的表面粗糙度较小，这与前面所述结果一致。

碳化硅陶瓷在工程应用上，通常关注的是其力学性能，而当其应用于光学领域时，则需要更加关注其表面光学性能。应该综合考虑碳化硅陶瓷自身性能、加工工艺和光学性能，最终获得满足光学应用的光学表面。

3 结论

研究了残余碳对常压固相烧结碳化硅陶瓷抛光面的表面质量和光学性能的影响，结果表明：

(1) 随着C含量的增加，SiC陶瓷抛光表面的表面粗糙度无明显变化，RMS均为2nm左右。

(2) 当C含量为3%～6%时，SiC陶瓷抛光表面在400～750nm波段的全反射率、漫反射率和镜面反射率相当。

(3) 当C含量升至7%时，SiC陶瓷抛光表面在400～750nm波段的全反射率稍有降低，漫反射率稍有上升，镜面反射率稍有降低。

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