学术报告

一、作者与机构及论文发表信息

文章主要作者为S. Macdonald、Kath Silversides、Jenny Atwood、Alain Cournoyer以及Louis-Philippe Bibeau，作者单位分别为加拿大国家研究委员会(National Research Council, NRC)和ABB公司。本文发表在《Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation VI》（SPIE）会议论文集中，刊号为13100，编号1310054-1，发表时间为2024年。本研究聚焦于光学黏合技术，服务于三十米望远镜（Thirty Meter Telescope, TMT）的窄场红外自适应光学系统（Narrow Field Infrared Adaptive Optics System, NFIRAOS）。

二、研究背景及目的

本文所属领域为天文光学与精密机械工程，研究背景与当前地基天文学技术的挑战密切相关。TMT是下一代大型地面望远镜，其NFIRAOS子系统旨在通过红外波段的自适应光学技术修正大气湍流的影响，为地基观测开启新的潜力。然而，该系统面临着在低至-30°C的运行温度下维持光学组件结构稳定性的难题。此外，NFIRAOS光学组件中的脱轴抛物面镜（Off-Axis Paraboloid, OAP）的质量高达90公斤，其安装需要既能承受极端温差，又能维持光学精度的黏合解决方案。本文的研究目标是，通过开发RTV（室温硫化）硅胶黏合技术，优化此类光学组件的黏合设计与性能验证。

三、研究流程与方法

1. 初始设计与黏扩料选择
研究最初对ABB公司开发的初步概念设计进行了改进。选用Dow Corning 6-1104 RTV硅胶作为主要黏合材料，这是基于其在光学性能、热力学性能、自然频率和抗震性上的综合表现。

2. 结构设计与有限元分析（FEA Modeling）
研究分为两大部分：
- ABB的有限元建模：探索不同几何参数下的黏合区域厚度和直径比例，并最终确定厚度为6mm，直径为22.5mm的最佳黏合形状。
- NRC的有限元建模：通过模拟OAP镜在重力沿光轴与垂直光轴两种方向作用下的受力和位移情况，计算黏合点的拉应力、压应力以及位移分布，得出在平行方向下最大光学位移为98µm，而垂直方向下位移为20µm。

3. 初代与第二代黏合样件的制造与实验
本文分别由ABB与NRC开发了初代和改良型黏合工艺样件：
- 初代试验样件：依赖于采用EPDM橡胶环辅助成型的圆柱形黏合工艺。通过注射RTV硅胶后于室温固化7天，采用平肩设计便于剪切测试。
- 改良型样件：引入了“开顶式双壳模具”技术，通过增加小型通气通道改善湿气接触以加速固化，并减少了空气气泡的影响。最终设计实现了从顶部暴露RTV黏胶的表面张力造型，加速了内部固化效果。

4. 黏合性能测试
研究设计了一系列试验来验证黏合材料在不同环境下的力学性能：
- 拉伸与剪切测试：测试在低温（-30°C）环境下RTV黏胶的抗拉伸能力，发现其能支撑远高于实际使用过程中所需的负载。另一方面，剪切测试验证了最极端方向下黏胶的受力约为设计名义剪切力的两倍。
- 蠕变与抗压测试：以静态载荷检测黏胶的蠕变，观察到RTV在24小时内初次蠕变后负载稳定；压缩测试显示3.6kg的荷载会使6mm黏胶厚度压缩大约45微米。
- 低温循环与生存测试：在-45°C下经历多轮热循环后，黏胶仍能维持完整性，显示出良好的耐极端性。

四、主要研究结果

1. 材料与设计验证
RTV硅胶表现出了优异的低温适应能力及长期抗力学性能。黏合点在拉伸强度测试中，单一黏合点可承受的负载远高于实际操作需求。剪切和压缩变形实验表明，其变形一致性和基本恢复能力良好。

2. 优化设计与改良效率
通过改良型的黏合成型模具（开放式双壳模具）、表面处理（使用Frekote 1711脱模剂和Dow Corning 1200红色底漆），成功改进了固化速度并提升了黏合质量。改良后的样件固化时间从最初的19天缩短为约5至8天，同时实现了更均匀的黏胶分布。

3. 数值模拟与实验结果一致性
有限元分析预测的最大应力与实际负载实验结果较为一致，支持了黏合点强度设计能够满足NFIRAOS的实际光学系统需求。

五、研究结论与意义

本文构建了一种基于Dow Corning 6-1104 RTV硅胶的低温光学黏合技术，并通过实验验证了其高可靠性。结果证实，该技术能够在极端温差和复杂力学环境下支撑大型光学器件，显著降低了三十米望远镜项目中关键光学部件的设计难度。本研究具有以下重要价值：
1. 科学价值：推进了精密光学机械系统中黏合力学领域的技术前沿，提供了一种系统性的低温运行解决方案。
2. 应用价值：为地基大型天文望远镜在极端环境中的光学稳定性提出了实际可行的黏合设计方案，具有较大工程可操作性。

六、研究亮点

1. 创新方法：采用了多种优化黏合制造技术，包括开顶式双壳模具、小型通气通道和表面张力造型法，极大提升了黏胶成型效果。
   
2. 真实验证：通过精准的实验与数值模拟， обеспеч了一种从量子到宏观力学行为的一致测试平台。
   
3. 广泛适用性：本研究成果不仅适用于NFIRAOS系统，还对其他需要高精度黏合的极端机械环境光学部件提供了参考。

七、其他内容

研究中测试了备选RTV材料（如CV4 2289-1 RTV），由于超过保存期未能通过测试。作者强调了进一步优化黏合工艺在曲面OAP镜环上的应用，以及最终黏合点分布密度的规划（96个固定点的分布及间距）。

总结而言，本研究不仅达到了提升TMT光学系统关键部件黏合性能的目的，还展现了材料选择、工艺改良和工程应用的跨学科结合，是一项值得推广的重要技术进步。