1.5 m口徑超低膨脹微晶玻璃研制成功

2023年6月,中材人工晶體研究院有限公司(簡稱晶體院)1.5 m口徑超低膨脹微晶玻璃成功下線,這是目前國內(nèi)見諸報道的最大口徑超低膨脹微晶玻璃(見圖1、圖2),其成功試產(chǎn)進(jìn)一步縮小了我國與發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域的差距,為高分衛(wèi)星及大型天文望遠(yuǎn)鏡研制提供可靠鏡坯,促進(jìn)了我國在資源及深空探測等領(lǐng)域的快速發(fā)展。

圖1 1.5 m口徑超低膨脹微晶玻璃

圖2 1.5 m口徑超低膨脹微晶玻璃熱膨脹系數(shù)

超低膨脹微晶玻璃是目前已知的尺寸穩(wěn)定性最好的材料,其熱膨脹系數(shù)僅為金屬的數(shù)千分之一,陶瓷或玻璃的數(shù)百分之一,真正實現(xiàn)“熱不漲、冷不縮”,即使在極端苛刻環(huán)境中仍能保持尺寸的穩(wěn)定性,因此成為激光陀螺諧振腔體(見圖3)、空間相機(jī)用反射鏡鏡坯(見圖4)及天文望遠(yuǎn)鏡鏡坯(見圖5)等的優(yōu)選材料。

圖3 激光陀螺諧振腔體

圖4 空間相機(jī)用反射鏡鏡坯

圖5 天文望遠(yuǎn)鏡鏡坯

激光陀螺是慣性導(dǎo)航的核心器件,廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、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,其諧振腔體受溫度變化影響而導(dǎo)致伸縮變化,進(jìn)而影響到光程變化。超低膨脹微晶玻璃優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性可抑制溫度變化帶來的一系列負(fù)面影響,保證激光陀螺在全溫度范圍內(nèi)的精度,確保慣性導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確定位。超低膨脹微晶玻璃同時具有較低的氦氣滲透性,可保證激光陀螺的壽命,因此成為激光陀螺骨架不可替代的優(yōu)選材料。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(jī)反射鏡的優(yōu)選材料,其極低的熱膨脹系數(shù)可確保反射鏡鏡面的面形不受苛刻環(huán)境溫度變化影響。采用尺寸穩(wěn)定性能優(yōu)異的超低膨脹微晶玻璃制造空間相機(jī)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大型天文望遠(yuǎn)鏡鏡坯的理想材料,全球反射式天文望遠(yuǎn)鏡基本都采用這種材料作為鏡面材料。我國已投入運行的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)、麗江望遠(yuǎn)鏡和北京天文臺反射式望遠(yuǎn)鏡,以及正在建設(shè)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)-中國科學(xué)院紫金山天文臺大視場巡天望遠(yuǎn)鏡(WFST)均采用此種材料作為鏡面材料,正在建設(shè)的全世界最大的39 m級歐洲極大天文望遠(yuǎn)鏡(E-ELT)項目需要采用近千件米級超低膨脹微晶玻璃制作為反射鏡。

2002年,晶體院在國家高技術(shù)“863”項目支持下,研制出達(dá)到世界先進(jìn)水平的超低膨脹微晶玻璃(在0～+50 ℃范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)達(dá)到2×10-8/℃),填補(bǔ)了國內(nèi)高品質(zhì)超低膨脹微晶玻璃的空白;2006年,晶體院建立了國內(nèi)首條激光陀螺用超低膨脹微晶玻璃生產(chǎn)線,打破了國外技術(shù)壟斷,在國內(nèi)光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了批量應(yīng)用,產(chǎn)品作為反射鏡鏡坯材料已被應(yīng)用于平行光管、天文望遠(yuǎn)鏡、光電雷達(dá)等國家高端裝備和國家專項工程,減少了相關(guān)產(chǎn)業(yè)對國外進(jìn)口產(chǎn)品的依賴;2016年,晶體院突破大尺寸單坩堝熔化爐等設(shè)備的設(shè)計制造,建成一條超低膨脹微晶玻璃中試生產(chǎn)線,提高了微晶玻璃產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性,保障了國產(chǎn)化微晶玻璃材料的持續(xù)自主可控,增強(qiáng)了與國外產(chǎn)品的競爭力;2023年,晶體院新建一條大尺寸超低膨脹微晶玻璃生產(chǎn)線,開啟做強(qiáng)、做優(yōu)、做大新材料的全新起點,著力攻關(guān)關(guān)鍵核心領(lǐng)域,在推動科技成果產(chǎn)業(yè)化上實現(xiàn)新突破,為拓展國防及民用市場奠定了基礎(chǔ)。

隨著超低膨脹微晶玻璃口徑和厚度的增加,制備所需的時間和難度也隨之增加。晶體院范仕剛研究團(tuán)隊通過刻苦攻關(guān),突破了全氧燃燒及輔助電極加熱熔制、氣泡和條紋等缺陷消除、大口徑微晶玻璃受控晶化等一系列關(guān)鍵技術(shù),成功制備出1.5 m口徑超低膨脹微晶玻璃(見圖1),其熱膨脹系數(shù)小于1×10-7/℃(0～50 ℃)(見圖2)。目前研究團(tuán)隊緊跟世界先進(jìn)遙感衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)步,正在對2 m口徑超低膨脹微晶玻璃的制備進(jìn)行科技攻關(guān),并努力推進(jìn)大尺寸超低膨脹微晶玻璃的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和規(guī)?；瘧?yīng)用。