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

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(shí)又有高透明性，同時(shí)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(yuǎn)鏡等高能觀測(cè)設(shè)備的鏡坯、高精度光柵、雷達(dá)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(jī)、火箭、衛(wèi)星、艦船、導(dǎo)彈等運(yùn)動(dòng)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(cè)、海洋探測(cè)等空間遙感相機(jī)反射鏡的優(yōu)選材料。空間反射鏡相當(dāng)于高分衛(wèi)星的眼睛，起著收集遠(yuǎn)程光源信號(hào)和傳輸光源信號(hào)的作用，是保證高空衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)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(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天文望遠(yuǎn)鏡鏡坯的最佳材料。天文望遠(yuǎn)鏡是觀測(cè)天體、深空及臨地軌道碎片的重要工具。2009年通過國家驗(yàn)收的4米級(jí)LAMOST天文望遠(yuǎn)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(jí)極大天文望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，需要采用近千件米級(jí)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(jí)產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)可達(dá)(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(jìn)口。20世紀(jì)80年代后期，在國家相關(guān)計(jì)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(dá)到國際先進(jìn)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(jìn)行列。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的零級(jí)和一級(jí)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(shí)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(jìn)口的局面。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還解決了大口徑微晶玻璃關(guān)鍵制備技術(shù)，實(shí)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(cè)技術(shù)發(fā)展。

雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。研究團(tuán)隊(duì)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(jì)建造大型熔爐和大尺寸退火裝備，預(yù)計(jì)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(xiàn)更大力量。

圖1 激光陀螺腔體

圖2 空間相機(jī)用輕量化反射鏡

圖3 平面反射鏡