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零膨胀玻璃简史
发布时间:2019-01-03        浏览次数:102        返回列表

作者:吴柏林         上海联肯光电原创


关键词:  零膨胀玻璃、微晶玻璃、ULE、ZERODUR、 Sitall

微晶与ULE的比较

俄罗斯微晶玻璃的参数与比较优势

技术路线来说,零膨胀玻璃分两个阵营。


一个是美国阵营的CORNING ULE玻璃,另一个是欧洲SCHOTT 的ZERODUR和俄罗斯阵营的SITALL CO-115M微晶玻璃。


从时间上看,零膨胀玻璃的成功开发和应用,始于1961年, 还算年轻。


在美苏争霸的时代,我们依靠的是前苏联老大哥的SITALL CO-115M 微晶玻璃实现了航天、天文和惯导的成功应用。随着前苏联的解体及中美、中欧关系的缓和,我们也可以通过一些合规的方式购买到美国的ULE 和德国的ZERODUR材料。


过去的10多年时间里,这三家的材料在中国都有比较成功的应用。


现今华夏的激光陀螺用腔体和反射镜材料,以ZERODUR 和SITALL CO-115M 占绝对统治地位。


天文领域,鼎鼎大名的LAMOST项目就是俄罗斯的SITALL CO-115M 为主。所以,天文领域德国SCHOTT 的ZERODUR和俄罗斯的SITALL CO-115M在华夏都有市场。


航天领域,则是三分天下。


关于三家产品的具体技术规格、参数,且按下不表,如需要可致电或邮件微信联系我们索取,公开的材料参数我们在此就不再赘述。


这里我们说一点参数表或其他公开渠道上看不出来的内容。


首先是,美国CORNING 虽然以ULE成名,却也同时拥有微晶的技术和能力,而且在1961年就已经成熟并定型。只是在比较了ULE和微晶的优劣之后,权衡之下,放弃了微晶,选择了ULE。


为什么呢?ULE就比微晶好吗?


结论是互有利弊。是利是弊,取决于具体的使用环境。美国人最终选择了ULE,微晶也没有放弃,却把它用到了民用上。市场上的CORNING微晶锅,B格还是蛮高的。不过这个微晶不是宇航级的。


先说ULE与微晶之间相互间比较优势(参数表上的内容不谈)。


ULE本质上是石英掺杂Ti,从材料结构上说是单相位的材料。而微晶则是玻璃态物质。玻璃者,混合物是也。微晶硅铝钛等多种物质氧化物、按照特定的比例范围混熔到一起的混合物。二者从材料结构上比较,犹如自然界中的水晶对比石头。石头会被风化而水晶不会。这就是为什么我们看到的山都是馒头形的,而水晶矿却永远是最初的模样。


第二个比较明显的差别,就是使用环境温度的适应性。微晶的晶核是通过热处理工艺大约在130摄氏度附近形成一定比例范围的负膨胀系数的所谓微晶晶核。当在后天的实际使用环境中接近该温度范围时,就意味着退火或者逆退火的过程再次发生,必然对材料结构和特性产生影响。而ULE则无此之虞,其适用温度范围则宽泛得多,高温到300摄氏度也还保持不变。需要澄清的是,微晶在高温度范围还是可以使用的,只是其环境适应性及长期稳定性处于相对劣势而已---微晶还是微晶,却不是那个微晶了。


相对来说,微晶玻璃有着更好的切削加工特性而ULE则相对更脆,但是ULE则有有着更好的焊接(熔融)特性,这个环节双方算各得一分。


当然,微晶也是有优势的。在制造高精度的激光陀螺的腔体和反射镜时,因为有着绝对优势密封特性优势,微晶玻璃处于绝对垄断地位而ULE只能败下阵来。


笔者身上就经历过这样两件事。国内最初进口该两款材料时,并不清楚这两种材料的所有特性和优劣。一看都是零膨胀材料,其中一款还是美帝的。虽然我们鄙视纸老虎,瞧不起他们钢多气少,但是有心人心里边可能认为纸老虎的武器还是可以滴。所以相关单位考虑把这个材料用到陀螺上,没准性能更好呢?


后来笔者无意中获得了ULE 材料在He泄漏环节上的弱点,分别同航天科工及中航工业的单位进行了针对性的交流,他们都进行了验证。可惜其中一个单位没有举一反三,虽然用了微晶的腔体,却用了石英的反射镜,导致He泄漏的后果在此后数年才得以暴露,也算是一个小教训和证明了。


ULE材料的另一个缺点是,条纹的密度和概率要大于微晶。这也是为什么法国SAGEM 在制作1.1米口径菲佐(FIZEAU FLAT)标准镜时采用了微晶而不是ULE.


总的应用来说,天文领域,微晶与ULE 可相互替代,航天反射镜领域,可相互替代,美国采用ULE而欧洲、俄罗斯采用微晶;中国两者都用。总的趋势是,近年来碳化硅的份额在增加。


激光陀螺领域,微晶风头无二;原子钟ULE当仁不让,其他标准具则天下二分。


日本的微晶在80年代以后也进入了舞台,最近几年的TMT项目还采用了日本的微晶玻璃。但在中国的存在感几乎没有。究其原因,一是材料特性上同欧洲渠道稍有区别,完全替代上存在一些小问题。二是政治原因,日本固然相对中国有技术优势,但对中国的表现出的那种极力防范与敝帚自珍的态度,比之美欧的态度还要让人倒胃口。加之用户所属的行业对双方民族历史纠葛态度的原因,日系微晶在华夏的式微也是必然。


最后说一下国内自主微晶玻璃的历史和现状。


国内在上世纪80年代由上海新沪玻璃厂着手开发微晶玻璃,一度号称成功。但随着2.16米项目中先后两块新沪的国产微晶的摔裂,可谓命运多舛,对其微晶事业构成沉重打击。此后LAMOST项目虽然也曾少量采用,却也是昨日黄花了。此后随着产业调整,新沪玻璃厂关厂,相关关键人员出走美国,此事由此告一段路。


后进入千禧年后,北京某单位以国家资助项目的形式重拾微晶项目,并以通过专家验收结题,却未获列装应用。究其原因,你懂的。


2010年后光明厂介入该产品的研发,目前已经推出该产品数年。但从实际市场情况看,远未到完全替代进口的阶段。


前几年欧洲某公司还专门测试过光明厂的微晶,最终没有采用。


聊以自慰的是民用市场的微晶面板的电磁炉、燃气炉的微晶玻璃已经普遍国产了,其材料机理同航天、宇航用途的微晶大同小异,无非的技术要求降低而已。


当然,随着我国经济和政治地位的提高,随着购买力的增强,以及市场规模的扩大,在天下熙攘,利来利往的规律下,该类产品的禁运也已基本有名无实,对我国来说,材料供应已经不是多大的事了。


他强由他强,清风拂山岗;他横由他横,明月照大江;他自狠来他自恶,我自一口真气足。


大家踏踏实实做好本职工作,把实力提高上去,朋友自然就多了。希望和强者过不去的,毕竟是少数;同时和强者及现实经济利益过不去的,那就是有病了,是吧?


俄罗斯微晶玻璃的技术比较,限于篇幅,亲们请参照笔者的另一篇文章《俄罗斯微晶》


如有相关需求或技术问题交流,或需索取任何相关详细材料技术参数表,可发邮件到 anderson.wu@oeengine.cn或联系上海联肯光电