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),其成功試產進一步縮小了我國與發達國家在該領域的差距,為高分衛星及大型天文望遠鏡研制提供可靠鏡坯,促進了我國在資源及深空探測等領域的快速發展。

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

超低膨脹微晶玻璃是目前已知的尺寸穩定性最好的材料,其熱膨脹系數僅為金屬的數千分之一,陶瓷或玻璃的數百分之一,真正實現“熱不漲、冷不縮”,即使在極端苛刻環境中仍能保持尺寸的穩定性,因此成為激光陀螺諧振腔體(見圖3)、空間相機用反射鏡鏡坯(見圖4)及天文望遠鏡鏡坯(見圖5)等的優選材料。

圖3 激光陀螺諧振腔體

圖4 空間相機用反射鏡鏡坯

圖5 天文望遠鏡鏡坯

激光陀螺是慣性導航的核心器件,廣泛應用于飛機、火箭、衛星、艦船、導彈等運動載體的精確導航,在現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致伸縮變化,進而影響到光程變化。超低膨脹微晶玻璃優異的尺寸穩定性可抑制溫度變化帶來的一系列負面影響,保證激光陀螺在全溫度范圍內的精度,確保慣性導航系統準確定位。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反射鏡的優選材料,其極低的熱膨脹系數可確保反射鏡鏡面的面形不受苛刻環境溫度變化影響。采用尺寸穩定性能優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鏡鏡坯的理想材料,全球反射式天文望遠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面積多目標光纖光譜天文望遠鏡(LAMOST)、麗江望遠鏡和北京天文臺反射式望遠鏡,以及正在建設的中國科學技術大學-中國科學院紫金山天文臺大視場巡天望遠鏡(WFST)均采用此種材料作為鏡面材料,正在建設的全世界最大的39 m級歐洲極大天文望遠鏡(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“863”項目支持下,研制出達到世界先進水平的超低膨脹微晶玻璃(在0～+50 ℃范圍內熱膨脹系數達到2×10-8/℃),填補了國內高品質超低膨脹微晶玻璃的空白;2006年,晶體院建立了國內首條激光陀螺用超低膨脹微晶玻璃生產線,打破了國外技術壟斷,在國內光學領域實現了批量應用,產品作為反射鏡鏡坯材料已被應用于平行光管、天文望遠鏡、光電雷達等國家高端裝備和國家專項工程,減少了相關產業對國外進口產品的依賴;2016年,晶體院突破大尺寸單坩堝熔化爐等設備的設計制造,建成一條超低膨脹微晶玻璃中試生產線,提高了微晶玻璃產品質量穩定性,保障了國產化微晶玻璃材料的持續自主可控,增強了與國外產品的競爭力;2023年,晶體院新建一條大尺寸超低膨脹微晶玻璃生產線,開啟做強、做優、做大新材料的全新起點,著力攻關關鍵核心領域,在推動科技成果產業化上實現新突破,為拓展國防及民用市場奠定了基礎。

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隊通過刻苦攻關,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鍵技術,成功制備出1.5 m口徑超低膨脹微晶玻璃(見圖1),其熱膨脹系數小于1×10-7/℃(0～50 ℃)(見圖2)。目前研究團隊緊跟世界先進遙感衛星技術進步,正在對2 m口徑超低膨脹微晶玻璃的制備進行科技攻關,并努力推進大尺寸超低膨脹微晶玻璃的產業化進程和規模化應用。