中國在碳化硅反射鏡領(lǐng)域已一騎絕塵，連美國也望塵莫及，這離不開科學(xué)家們的精心鉆研。

2026年4月13日，中科院長春光機(jī)所張舸研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“石墨/碳化硅復(fù)合粉末增材制造方法”，將碳化硅含量提升18.18%并實(shí)現(xiàn)高精度鏡體制備，標(biāo)志著大口徑技術(shù)反超美國，小口徑精度逼近日本。

它的作用類似于人類眼睛的晶狀體，但要求苛刻得多，必須足夠輕，以便發(fā)射上天；必須足夠硬，以承受劇烈溫差和振動；必須熱變形極小，保證成像不失真；還必須能夠加工到近乎完美的面形精度。

在眾多候選材料中，碳化硅憑借其高比剛度、高導(dǎo)熱、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的各向同性，成為大口徑光學(xué)系統(tǒng)公認(rèn)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。

碳化硅屬于極難加工的硬脆材料，如何制造出大尺寸、高均勻性、高精度的反射鏡體，一直是困擾全球光學(xué)制造業(yè)幾十年的難題。

長期以來，全球碳化硅反射鏡市場由中、美、日三國主導(dǎo)，但三國技術(shù)路線差異明顯，也各自卡在了不同的瓶頸上。

日本憑借精細(xì)的陶瓷加工傳統(tǒng)，專注于1米以下的小口徑反射鏡，通過化學(xué)氣相沉積和反應(yīng)燒結(jié)等工藝，日本廠商能將小口徑鏡面的面形精度做到驚人的0.1納米，幾乎達(dá)到原子級別的平整度。

這種極致精度，使得日本在醫(yī)療內(nèi)窺鏡、半導(dǎo)體光刻機(jī)物鏡系統(tǒng)等小尺寸光學(xué)元件領(lǐng)域占據(jù)絕對優(yōu)勢。

日本技術(shù)存在一個致命的尺寸瓶頸：一旦反射鏡口徑超過2米，其制備工藝中的應(yīng)力控制和均勻性難題便會急劇放大，精度會從亞納米級別暴跌至60納米以上。

對于需要大口徑集光能力的空間望遠(yuǎn)鏡和偵察衛(wèi)星而言，60納米的面形誤差會導(dǎo)致成像模糊、對比度下降，完全無法滿足實(shí)際需求。

美國則走上了另一條路，以美國國家航空航天局和幾家軍工巨頭為代表，美國長期采用傳統(tǒng)粉末燒結(jié)加拼接的技術(shù)路線。

他們先將碳化硅粉末壓制燒結(jié)成較小的鏡片單元，再通過精密裝配將這些單元拼接成大口徑反射鏡。

這種做法的最大好處是避免了單體制備的尺寸極限，美國用拼接法造出過最大等效口徑3.89米的反射鏡。

但拼接結(jié)構(gòu)先天存在接縫，每塊子鏡之間的相對位置會隨溫度變化和機(jī)械振動而發(fā)生微小漂移，必須依賴復(fù)雜的主動光學(xué)系統(tǒng)持續(xù)校正。

這不僅增加了系統(tǒng)的重量、功耗和故障風(fēng)險(xiǎn)，還導(dǎo)致整體面形精度長期停留在10至30納米之間，成像質(zhì)量遠(yuǎn)不如同口徑的整體鏡。

更關(guān)鍵的是，過去十多年間，美國在這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究投入持續(xù)縮減，相關(guān)人才隊(duì)伍老化嚴(yán)重，新一代年輕科研人員紛紛轉(zhuǎn)向更熱門的半導(dǎo)體和人工智能領(lǐng)域。

美國碳化硅反射鏡技術(shù)幾乎陷入停滯，既沒有突破拼接結(jié)構(gòu)的先天缺陷，也沒有實(shí)現(xiàn)2米以上單體制備的產(chǎn)業(yè)化。

中國走出了一條截然不同的技術(shù)路線，整體成型，早在本世紀(jì)初，長春光機(jī)所的科學(xué)家們就意識到，拼接法只能治標(biāo)不能治本，真正的出路在于直接制造出大口徑、高精度的單體碳化硅反射鏡。

這條路極為艱難：碳化硅熔點(diǎn)高達(dá)2700℃以上，無法像玻璃一樣熔融澆鑄；燒結(jié)過程中收縮率高達(dá)20%左右，極難控制最終尺寸和形狀。

經(jīng)過近二十年的持續(xù)攻關(guān)，長春光機(jī)所在2018年取得了歷史性突破，成功研制出直徑4.03米的全球最大單體碳化硅反射鏡，面形精度達(dá)到10至30納米。

這塊“中華神鏡”的誕生，徹底打破了美國、法國等少數(shù)國家在大口徑反射鏡領(lǐng)域的技術(shù)封鎖。

此后，該成果已成功應(yīng)用于火星探測高分辨率相機(jī)、載人航天工程空間站巡天望遠(yuǎn)鏡等50多項(xiàng)國家重大工程，為中國深空探測和高分辨率對地觀測裝上了真正的“中國眼”。

但中國科研團(tuán)隊(duì)沒有就此止步，張舸研究員團(tuán)隊(duì)此次提出的“石墨/碳化硅復(fù)合粉末增材制造方法”，是在整體成型技術(shù)基礎(chǔ)上的又一次顛覆性創(chuàng)新。

傳統(tǒng)碳化硅增材制造面臨兩大頑疾：一是碳化硅顆粒流動性差，導(dǎo)致粉末鋪展不均勻，打印出的鏡坯內(nèi)部容易出現(xiàn)孔洞和裂紋，二是反應(yīng)燒結(jié)過程中游離硅的物相難以調(diào)控，過多的游離硅會降低鏡體的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。

張舸團(tuán)隊(duì)的巧妙之處在于，他們在碳化硅粉末中引入了石墨作為多功能添加劑，石墨具有良好的自潤滑性和導(dǎo)熱性，能夠顯著改善粉末混合物的流動性，使增材制造過程中的鋪粉更加均勻致密。

同時，在高溫反應(yīng)燒結(jié)階段，石墨會與多余的游離硅發(fā)生原位反應(yīng)，生成額外的碳化硅，從而將最終鏡坯中的碳化硅含量大幅提升18.18%，這意味著鏡體更致密、更堅(jiān)硬、熱變形更小。

由此，中國在大口徑反射鏡領(lǐng)域繼續(xù)保持世界第一的同時，在小口徑精度方面也迅速逼近日本最尖端水平。

以往，日本憑借0.1納米精度在小口徑領(lǐng)域獨(dú)步天下，但那通常是對幾厘米到幾十厘米尺寸的鏡面而言。

而中國在2.2米口徑上就實(shí)現(xiàn)了0.7納米，如果按比例推算，相同口徑下中國的精度已經(jīng)超越日本同行的記錄。

美國則被徹底甩在了身后，無論是整體成型能力、單體尺寸還是面形精度，中國都已實(shí)現(xiàn)對美國的反超，全球碳化硅反射鏡的技術(shù)格局正在被重新書寫，而書寫者手中的筆，來自中國長春。