1.5 m口径超低膨胀微晶玻璃研制成功

2023年6月,中材人工晶体研究院有限公司(简称晶体院)1.5 m口径超低膨胀微晶玻璃成功下线,这是目前国内见诸报道的最大口径超低膨胀微晶玻璃(见图1、图2),其成功试产进一步缩小了我国与发达国家在该领域的差距,为高分卫星及大型天文望远镜研制提供可靠镜坯,促进了我国在资源及深空探测等领域的快速发展。

图1 1.5 m口径超低膨胀微晶玻璃

图2 1.5 m口径超低膨胀微晶玻璃热膨胀系数

超低膨胀微晶玻璃是目前已知的尺寸稳定性最好的材料,其热膨胀系数仅为金属的数千分之一,陶瓷或玻璃的数百分之一,真正实现“热不涨、冷不缩”,即使在极端苛刻环境中仍能保持尺寸的稳定性,因此成为激光陀螺谐振腔体(见图3)、空间相机用反射镜镜坯(见图4)及天文望远镜镜坯(见图5)等的优选材料。

图3 激光陀螺谐振腔体

图4 空间相机用反射镜镜坯

图5 天文望远镜镜坯

激光陀螺是惯性导航的核心器件,广泛应用于飞机、火箭、卫星、舰船、导弹等运动载体的精确导航,在现代国防中起着非常重要的作用,其谐振腔体受温度变化影响而导致伸缩变化,进而影响到光程变化。超低膨胀微晶玻璃优异的尺寸稳定性可抑制温度变化带来的一系列负面影响,保证激光陀螺在全温度范围内的精度,确保惯性导航系统准确定位。超低膨胀微晶玻璃同时具有较低的氦气渗透性,可保证激光陀螺的寿命,因此成为激光陀螺骨架不可替代的优选材料。超低膨胀微晶玻璃也是军用、资源探测、海洋探测等空间遥感相机反射镜的优选材料,其极低的热膨胀系数可确保反射镜镜面的面形不受苛刻环境温度变化影响。采用尺寸稳定性能优异的超低膨胀微晶玻璃制造空间相机的反射镜,使得高分卫星在距地600 km的轨道可以清晰看到地面200 mm大小的物体。超低膨胀微晶玻璃还是大型天文望远镜镜坯的理想材料,全球反射式天文望远镜基本都采用这种材料作为镜面材料。我国已投入运行的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)、丽江望远镜和北京天文台反射式望远镜,以及正在建设的中国科学技术大学-中国科学院紫金山天文台大视场巡天望远镜(WFST)均采用此种材料作为镜面材料,正在建设的全世界最大的39 m级欧洲极大天文望远镜(E-ELT)项目需要采用近千件米级超低膨胀微晶玻璃制作为反射镜。

2002年,晶体院在国家高技术“863”项目支持下,研制出达到世界先进水平的超低膨胀微晶玻璃(在0～+50 ℃范围内热膨胀系数达到2×10-8/℃),填补了国内高品质超低膨胀微晶玻璃的空白;2006年,晶体院建立了国内首条激光陀螺用超低膨胀微晶玻璃生产线,打破了国外技术垄断,在国内光学领域实现了批量应用,产品作为反射镜镜坯材料已被应用于平行光管、天文望远镜、光电雷达等国家高端装备和国家专项工程,减少了相关产业对国外进口产品的依赖;2016年,晶体院突破大尺寸单坩埚熔化炉等设备的设计制造,建成一条超低膨胀微晶玻璃中试生产线,提高了微晶玻璃产品质量稳定性,保障了国产化微晶玻璃材料的持续自主可控,增强了与国外产品的竞争力;2023年,晶体院新建一条大尺寸超低膨胀微晶玻璃生产线,开启做强、做优、做大新材料的全新起点,着力攻关关键核心领域,在推动科技成果产业化上实现新突破,为拓展国防及民用市场奠定了基础。

随着超低膨胀微晶玻璃口径和厚度的增加,制备所需的时间和难度也随之增加。晶体院范仕刚研究团队通过刻苦攻关,突破了全氧燃烧及辅助电极加热熔制、气泡和条纹等缺陷消除、大口径微晶玻璃受控晶化等一系列关键技术,成功制备出1.5 m口径超低膨胀微晶玻璃(见图1),其热膨胀系数小于1×10-7/℃(0～50 ℃)(见图2)。目前研究团队紧跟世界先进遥感卫星技术进步,正在对2 m口径超低膨胀微晶玻璃的制备进行科技攻关,并努力推进大尺寸超低膨胀微晶玻璃的产业化进程和规模化应用。