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        超低膨脹微晶玻璃
        ——助力空天探測,實現(xiàn)關(guān)鍵材料自主可控

        2021-12-16 02:43:32范仕剛
        硅酸鹽通報 2021年11期

        超低膨脹微晶玻璃是一類主晶相為β-石英固溶體、熱膨脹系數(shù)接近零的微晶材料,其晶粒尺寸50 nm左右,熱膨脹系數(shù)僅為金屬的數(shù)千分之一,陶瓷或玻璃的數(shù)百分之一,是目前尺寸穩(wěn)定性最好的材料。其特殊的微晶結(jié)構(gòu)保證其低膨脹率的同時又有高透明性,同時還具有耐高溫、耐熱沖擊等優(yōu)異性能,常用于制作激光陀螺骨架、光學(xué)天文望遠鏡等高能觀測設(shè)備的鏡坯、高精度光柵、雷達天線罩、高溫觀察窗等。

        激光陀螺是慣性導(dǎo)航的核心器件,廣泛應(yīng)用于飛機、火箭、衛(wèi)星、艦船、導(dǎo)彈等運動載體的精確導(dǎo)航,在現(xiàn)代國防中起著非常重要的作用。超低膨脹微晶玻璃優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性,可將激光陀螺諧振腔體因溫度變化帶來的伸縮降到最低,從而保證激光陀螺精度不受環(huán)境溫度影響,因此成為制造激光陀螺腔體不可替代的材料。超低膨脹微晶玻璃也是軍用、資源探測、海洋探測等空間遙感相機反射鏡的優(yōu)選材料??臻g反射鏡相當(dāng)于高分衛(wèi)星的眼睛,起著收集遠程光源信號和傳輸光源信號的作用,是保證高空衛(wèi)星對地觀測分辨率的首要因素,采用尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異的超低膨脹微晶玻璃制造空間相機的反射鏡,使得高分衛(wèi)星在距地600 km的軌道可以清晰看到地面200 mm大小的物體。超低膨脹微晶玻璃還是天文望遠鏡鏡坯的最佳材料。天文望遠鏡是觀測天體、深空及臨地軌道碎片的重要工具。2009年通過國家驗收的4米級LAMOST天文望遠鏡鏡坯,是采用61件1.1 m的六角形超低膨脹微晶玻璃制作而成的;正在建設(shè)的全世界最大的39米級極大天文望遠鏡項目,需要采用近千件米級超低膨脹微晶玻璃制作反射鏡。

        德國SCHOTT公司在超低膨脹微晶玻璃材料領(lǐng)域一直處于國際領(lǐng)先地位,其生產(chǎn)的ZERODUR零級產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)可達(0±2)×10-8K-1,應(yīng)力雙折射低于6 nm/cm。由于技術(shù)難度大,我國長期以來一直依賴進口。20世紀(jì)80年代后期,在國家相關(guān)計劃和需求牽引下,北京中材人工晶體研究院有限公司開始研發(fā)該材料,經(jīng)過近20年的刻苦攻關(guān),先后解決了高品質(zhì)超低膨脹微晶玻璃系列關(guān)鍵技術(shù),成功研發(fā)出性能達到國際先進水平的超低膨脹微晶玻璃,使我國在該領(lǐng)域成功躋身于世界先進行列。團隊研發(fā)的零級和一級超低膨脹微晶玻璃產(chǎn)品滿足了高精度激光陀螺的應(yīng)用要求,成功實現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn),打破激光陀螺用微晶玻璃長期依賴進口的局面。同時,研究團隊還解決了大口徑微晶玻璃關(guān)鍵制備技術(shù),實現(xiàn)了1 m口徑微晶玻璃的批量生產(chǎn),產(chǎn)品成功應(yīng)用于高分衛(wèi)星,助力我國空間探測技術(shù)發(fā)展。

        雄關(guān)漫道真如鐵,而今邁步從頭越。研究團隊在解決了1 m系列微晶玻璃批量生產(chǎn)技術(shù)后,目前開始2 m口徑微晶玻璃的技術(shù)攻關(guān),自主設(shè)計建造大型熔爐和大尺寸退火裝備,預(yù)計2022年研制出2 m口徑微晶玻璃,為我國高分衛(wèi)星組網(wǎng)建設(shè)貢獻更大力量。

        圖1 激光陀螺腔體

        圖2 空間相機用輕量化反射鏡

        圖3 平面反射鏡

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