danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2019-63-2-223-234dan-606Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESВысокотеплопроводная карбидокремниевая керамика для крупногабаритной космической оптикиHigh thermal conductivity silicon-carbide ceramics for large-size space opticsГринчукП. С.GrinchukP. S.

Гринчук Павел Семенович – член-корреспондент, д-р физ.-мат. наук, заведующий отделением.

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Grinchuk Pavel Semenovich – Corresponding Member, D. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Department.

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

gps@hmti.ac.byАбухимдХ.AbuhimdH.

Абухимд Хатем – канд. хим. наук, заведующий лабораторией.

Эр-Рияд, 11442, аб. ящик 6086.

Abuhimd Hatem – Ph. D. (Chemistry), Head of the La boratory. 

Riyadh, 11442, P.O. Box 6086.

habuhimd@kacst.edu.saАкуличА. В.AkulichA. V.

Акулич Андрей Владимирович – науч. сотрудник.

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Akulich Andrei Vladimirovich – Researcher. 

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

akulich.av@mail.ruКияшкоМ. В.KiyashkoM. V.

Кияшко Михаил Викторович – науч. сотрудник.

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Kiyashko Mikhail Viktorovich – Researcher. 

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

manilmsteen@tut.byСоловейД. В.SoloveiD. V.

Соловей Дмитрий Владимирович – канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник. 

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Solovei Dmitry Vladimirovich – Ph. D. (Engineering), Senior researcher.

 15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

solovei@hmti.ac.byСтепкинМ. О.StepkinM. O.

Стёпкин Михаил Олегович – инженер-технолог. 

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Stepkin Mikhail Olegovich – Processing engineer. 

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

serpent_83@tut.byТороповВ. В.ToropovV. V.

Торопов Виктор Владимирович – канд. техн. наук, вед. науч. сотрудник. 

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Toropov Victor Vladimirovich – Ph. D. (Engineering), Leading researcher. 

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

ШашковМ. Д.ShashkovM. D.

Шашков Михаил Дмитриевич – инженер-технолог. 

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Shashkov Mikhail Dmitrievich – Processing engineer. 

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

ХортА. А.KhortA. A.

Хорт Александр Александрович – канд. техн. наук,  науч. сотрудник. 

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Khort Aleksandr Aleksandrovich – Ph. D. (Engineering), Researcher. 

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

khort.alexander@gmail.comЛяхМ. Ю.LiakhM. Yu.

Лях Мария Юрьевна – канд. физ.-мат. наук, науч. сотрудник. 

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск.

Liakh Maria Yurievna – Ph. D. (Physics and Mathe matics), Researcher. 

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk.

liakhmaria@gmail.comИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси.A. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus.Национальный нанотехнологический исследовательский центр.National Nanotechnology Research Center King Abdu laziz City for Science and Technology201916052019632223234Copyright © Гринчук П.С., Абухимд Х., Акулич А.В., Кияшко М.В., Соловей Д.В., Степкин М.О., Торопов В.В., Шашков М.Д., Хорт А.А., Лях М.Ю., 20192019Гринчук П.С., Абухимд Х., Акулич А.В., Кияшко М.В., Соловей Д.В., Степкин М.О., Торопов В.В., Шашков М.Д., Хорт А.А., Лях М.Ю.Grinchuk P.S., Abuhimd H., Akulich A.V., Kiyashko M.V., Solovei D.V., Stepkin M.O., Toropov V.V., Shashkov M.D., Khort A.A., Liakh M.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/606

Описаны важные аспекты разработанной технологии изготовления карбидокремниевых подложек для оптических зеркал, предназначенных для перспективного использования в космических приложениях. Показано, что получен материал с лучшим сочетанием теплофизических и механических свойств (критерий Максутова) среди известных аналогов, применяемых при создании астрономических зеркал. Описаны характеристики изготовленной из него облегченной подложки зеркала диаметром 205 мм, проведено сравнение с параметрами большинства известных зеркал, изготовленных из карбида кремния для различных космических миссий и в качестве опытных образцов. Показано, что изготовленная подложка характеризуется низкой удельной массой – 16,5 кг/м2, что сопоставимо с показателями лучших мировых аналогов.

The paper describes the important aspects of the developed technology for manufacturing silicon-carbide substrates for optical mirrors intended for future use in space applications. It is shown that the material with the best combination of thermophysical and mechanical properties (Maksutov’s criterion) among the known analogs used for making astronomical mirrors is obtained. The characteristics of a mirror made of a lightweight mirror substrate with a diameter of 205 mm are described, compared with the parameters of most known mirrors made of silicon carbide for various space missions and as proto types. It is shown that the produced substrate is characterized by a rather low specific gravity – 16.5 kg/m2, which is comparable with the indicators of the best world analogues.

карбид кремнияоптическое зеркалокоэффициент теплопроводностикритерий Максутоваsilicon carbideoptical mirrorthermal conductivity coefficientMaksutov’s criterionReferencesFang, T. Missing matter foundin the cosmic web / T. Fang // Nature. – 2018. – Vol. 558, N 7710. – P. 375–376.https://doi.org/10.1038/d41586-018-05432-2Fang T. Missing matter foundin the cosmic web. Nature, 2018, vol. 558, no. 7710, pp. 375–376. https://doi.org/10.1038/d41586-018-05432-2Савицкий, А. М. Вопросы конструирования облегченных главных зеркал космических телескопов / А. М. Савицкий, И. М. Соколов // Оптический журн. – 2009. – Т. 76, № 10. – С. 94–98.Savitskiǐ A. M., Sokolov I. M. Questions of constructing lightened primary mirrors of space telescopes. Journal of Optical Technology, 2009, vol. 76, no. 10, pp. 666–669. https://doi.org/10.1364/jot.76.000666Теребиж, В. Ю. Современные оптические телескопы / В. Ю. Теребиж. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 80 с.Terebizh V. Yu. Modern optical tekescopes. Moscow, FIZMATLIT Publ., 2005. 80 p. (in Russian).Bely, P. The design and construction of large optical telescopes / P. Bely. – Springer Science & Business Media, 2006. – 505 p.Bely P. The design and construction of large optical telescopes. Springer Science & Business Media, 2006. 505 p.Choyke, W. J. SiC, a new material for mirrors. 1: High power lasers; 2: VUV applications / W. J. Choyke, R. F. Farich, R. A. Hoffman // Applied Optics. – 1976. – Vol. 15, N 9. – P. 2006–2007. https://doi.org/10.1364/ao.15.002006Choyke W. J., Farich R. F., Hoffman R. A. SiC, a new material for mirrors. 1: High power lasers; 2: VUV applications. Applied Optics, 1976, vol. 15, no. 9, pp. 2006–2007. https://doi.org/10.1364/ao.15.002006Максутов, Д. Д. Изготовление и исследование астрономической оптики / Д. Д. Максутов – 2-е. изд. – М.: Наука, 1984. – 272 с.Maksutov D. D. Manufacturing and study of astronomical optics, 2d ed. Moscow, Nauka Publ., 1984. 272 p. (in Russian).Получение плотной реакционно-связанной керамики на основе карбида кремния / П. С. Гринчук [и др.] // Тепло- и массоперенос–2017: cборник научных трудов. – Минск: Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2018. – С. 56–68.Grinchuk P. S., Kiyashko M. V., Stepkin M. O., Toropov V. V., Akulich A. V., Solovei D. V., Khort A. A., Shashkov M. D., Lyakh M. Yu., Abuhimd H. M., Alshahrani M. S. Preparation of dense reaction-bound ceramics based on silicon carbide. Teplo- i massoperenos–2017: cbornik nauchnykh trudov = Heat and Mass Transfer–2017: collection of scientific papers. Minsk, A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of NAS of Belarus, 2018, pp. 56–68 (in Russian).Effect of technological parameters on densification of reaction bonded Si/SiC ceramics / P. S. Grinchuk [et al.] // Journal of the European Ceramic Society. – 2018. – Vol. 38, N 15. – P. 4815–4823. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.014Grinchuk P. S., Kiyashko M. V., Abuhimd H. M., Alshahrani M. S., Stepkin M. O., Toropov V. V., Khort A. A., Solovei D. V., Akulich A. V., Shashkov M. D., Liakh M. Yu. Effect of technological parameters on densification of reaction bonded Si/SiC ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 2018, vol. 38, no. 15, pp. 4815–4823. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.014Growth of Silicon Carbide Nanolayers on Contact of Porous Carbon with Molten Silicon / P. S. Grinchuk [et al.] // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2017. – Vol. 90, N 5. – P. 1102–1106. https://doi.org/10.1007/s10891-017-1663-1Grinchuk P. S., Abuhimd H. M., Fisenko S. P., Khodyko Yu. A. Growth of Silicon Carbide Nanolayers on Contact of Porous Carbon with Molten Silicon. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2017, vol. 90, no. 5, pp. 1102–1106. https://doi.org/10.1007/s10891-017-1663-1Multistage Technology for Production of Reaction-Sintered Dense Silicon Carbide (Invited Lecture) / P. S. Grinchuk [et al.] // International Symposium on Innovation in Materials Processing. ISIMP 2017. Phoenix Jeju/Korea, 2017. – P. 11–12.Grinchuk, P. S., Abuhimd H. M., Alshahrani M. S., Kiyashko M. V., Solovei D. V., Akulich A. V., Stepkin M. O., Khort A. A. Multistage Technology for Production of Reaction-Sintered Dense Silicon Carbide (Invited Lecture). International Symposium on Innovation in Materials Processing. ISIMP 2017. Phoenix Jeju, 2017, pp. 11–12.Synthesis of reaction-sintered silicon carbide ceramics by a two-stage siliconizing method / H. M. Abuhimd [et al.] // 15th Conference & Exhibition of the European Ceramic Society ECerS 2017, July 9–13, 2017. – Budapest, 2017. – P. 125.Abuhimd H. M., Alshahrani M. S., Grinchuk P. S., Solovei D. V.,Stepkin M. O., Akulich A. V., Khort A. A. Synthesis of reaction-sintered silicon carbide ceramics by a two-stage siliconizing method. 15th Conference & Exhibition of the European Ceramic Society. Budapest, 2017, pp. 125.Pyrolysis of various carbon precursors inside of porous silicon carbide matrix for reaction-sintered SiC substrates / H. M. Abuhimd [et al.] // European Advanced Materials Congress EAMC-2017. – Stockholm; Helsinki, 2017.Abuhimd H. M., Alshahrani M. S., Grinchuk P. S., Solovei D. V., Kiyashko M. V., Toropov V. V., Stepkin M. O., Khort A. A. Pyrolysis of various carbon precursors inside of porous silicon carbide matrix for reaction-sintered SiC substrates. European Advanced Materials Congress. Stockholm; Helsinki, 2017.Formation of the Silicon Carbide Nanographite Ceramic Matrix Composite / P. S. Grinchuk, [et al.] // The 15th International Symposium on Novel and Nano Materials. ISNNM-2018. – Lisbon, 2018. – P. 252.Grinchuk P. S., Solovei D. V., Kiyashko M. V., Stepkin M. O., Akulich A. V., Abuhimd H. M., Alshahrani M. S. Formation of the Silicon Carbide Nanographite Ceramic Matrix Composite. The 15th International Symposium on Novel and Nano Materials. Lisbon, 2018, pp. 252.Fabrication and test of reaction bond silicon carbide for optical applications / Wang Yao [et al.] // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2006. – Vol. 16, N 2. – P. 409–413. https://doi.org/10.1016/s1003-6326(06)60070-8Wang Yao, Yu-min Zhang, Jie-cai Han, Hong-bo Zuo. Fabrication and test of reaction bond silicon carbide for optical applications. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2006, vol. 16, no. 2, pp. 409–413. https://doi.org/10.1016/s1003-6326(06)60070-8Cho, T. Y. Effect of grain growth on the thermal conductivity of liquid-phase sintered silicon carbide ceramics / T. Y. Cho, Y. W. Kim // Journal of the European Ceramic Society. – 2017. – Vol. 37, N 11. – P. 3475–3481. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.04.050Cho T. Y., Kim Y. W. Effect of grain growth on the thermal conductivity of liquid-phase sintered silicon carbide ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 2017, vol. 37, no. 11, pp. 3475–3481. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.04.050Monolithic nanocrystalline SiC ceramics / B. Matovic [et al.] // Journal of the European Ceramic Society. – 2016. – Vol. 36, N 12. – P. 3005–3010. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.10.031Matović B., Bučevac D., Urbanović V., Stanković N., Daneu N., Volkov-Husović T., Babic B. Monolithic nanocrystalline SiC ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 2016, vol. 36, no. 12, pp. 3005–3010. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2015.10.031Синтез карбида кремния в электротермическом реакторе с кипящим слоем углеродных частиц / В. А. Бородуля [и др.] // Горение и плазмохимия. – 2015. – Т. 13, № 2. – С. 92–102.Borodulya V. A., Vinogradov L. M., Grebenkov A. Zh., Mikhailov A. A. Synthesis of silicon carbide in electrothermal reactor with fluidized bed of carbon particles. Goreniye i plazmokhimiya [Combustion and Plasma Chemistry], 2015, vol. 13, no. 2, pp. 92–102 (in Russian).Evaluation of SiC-porcelain ceramics as the material for monolithic catalyst supports / O. Smorygo [et al.] // Journal of Advanced Ceramics. – 2014. – Vol. 3, N 3. – P. 230–239. https://doi.org/10.1007/s40145-014-0114-0Smorygo O., Marukovich A., Mikutski V., Sadykov V. Evaluation of SiC-porcelain ceramics as the material for monolithic catalyst supports. Journal of Advanced Ceramics, 2014, vol. 3, no. 3, pp. 230–239. https://doi.org/10.1007/s40145-014-0114-0Ковалевский, В. Н. Структурообразование карбидокремниевой матрицы при создании композиции алмаз-карбид кремния / В. Н. Ковалевский // Огнеупоры и техническая керамика. – 2005. – № 5. – С. 8–14.Kovalevskiy V. N. Structural formation of a carbide-silicon matrix in the creation of a diamond-carbide silicon composition. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika = Refractories and technical ceramics, 2005, no. 5, pp. 8–14 (in Russian).Влияние режимов получения реакционно-спеченной керамики на ее структуру и свойства / А. Ф. Ильющенко [и др.] // Докл. НАН Беларуси. – 2017. – Т. 61, № 3. – С. 108–115.Ilyuschenko А. Ph., Zvonarev Е. V., Vitko Zh. А., Osipov V. А., Babura D. V. Influence of the modes production of reactive-sintered carbide ceramics on the structure and properties. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2017, vol. 61, no. 3, pp. 108–115 (in Russian).Оптические зеркала из композиционных материалов керамика-стекло. Физико-механические и функциональные свойства / А. Ф. Ильющенко [и др.] // Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка. Материалы 13-й междунар. науч.-техн. конф. – Минск, 2018. – С. 38–41.Il’yushchenko A. F., Osipov V. A., Zvonarev E. V., Babura D. V. Optical mirrors made of ceramic-glass composites. Physico-mechanical and functional pro perties. Novyye materialy i tekhnologii: poroshkovaya metallurgiya, kompozitsionnyye materialy, zashchitnyye pokrytiya, svarka. Materialy 13-y mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [New materials and technologies: powder me tallurgy, composite materials, protective coatings, welding. Materials of the 13th International Scientific and Technical Conference]. Minsk, 2018, pp. 38–41 (in Russian).Bougoin, M. From Herschel to Gaia: 3-meter class SiC space optics / M. Bougoin, J. Lavenac // Optical Manufacturing and Testing IX: International Society for Optics and Photonics. – 2011. – Vol. 8126. – P. 81260V.Bougoin M., Lavenac J. From Herschel to Gaia: 3-meter class SiC space optics. Optical Manufacturing and Testing IX. International Society for Optics and Photonics, 2011, vol. 8126, p. 81260V.Tsuno, K. Reaction-sintered silicon carbide: newly developed material for lightweight mirrors / K. Tsuno // 5th International Conference on Space Optics: Proc. of SPIE. – Toulouse, 2004. – Vol. 10568. – P. F-2–F-6.Tsuno K. Reaction-sintered silicon carbide: newly developed material for lightweight mirrors. 5th International Conference on Space Optics. Toulouse, 2004, vol. 10568, pp. F-2–F-6.Design and finite element analysis of Φ510mm SiC ultra-lightweight mirror / Y. Y. Zhang [et al.] // Optics and Precision Engineering. – 2012. – Vol. 20, No 8. – P. 1718-1724. https://doi.org/10.3788/ope.20122008.1718Zhang Y. Y., Jing W., Cheng Y., Hu G., Fang J.-Z. Design and finite element analysis of Φ510 mm SiC ultra-lightweight mirror. Optics and Precision Engineering, 2012, vol. 20, no. 8, pp. 1718-1724. https://doi.org/10.3788/ope.20122008.1718

The authors declare that there are no conflicts of interest present.