Zerodur

Zerodur是肖特股份公司生产的一种特种微晶玻璃材料。其显著特点是具有极低且严格控制的热膨胀系数，使得由它制成的部件在温度变化时能保持尺寸和光学几何形状不变。这一特性使Zerodur在热运动可能影响测量精度、成像性能或机械对准的场合尤为宝贵。 该材料属于锂铝硅酸盐微晶玻璃家族。其生产过程首先在高温下熔化包括氧化锂、氧化铝和二氧化硅在内的原材料。熔融材料被浇铸成毛坯，并在受控条件下冷却以减少内应力。随后进行微晶化处理，这是一个精心控制的结晶过程，在剩余的玻璃基质中形成高石英纳米微晶。晶相和非晶相的热行为相互抵消，产生Zerodur的近零膨胀。 肖特在20世纪60年代开始开发低膨胀微晶玻璃，以响应天文观测台的需求。大型望远镜镜面需要基底材料在观测过程中温度变化时不会显著变形。该材料对于大型镜面毛坯尤为重要，包括与卡拉尔阿尔托天文台以及后来主要地面望远镜相关的镜面。Zerodur随后被用于多个设施的镜面基底，如凯克望远镜、霍比-埃伯利望远镜、加那利大型望远镜、欧洲南方天文台的甚大望远镜以及极大望远镜项目。它还被用于机载SOFIA天文台的主镜以及Astro Systeme Austria生产的望远镜。 该品牌的应用不仅限于天文学。在太空系统中，Zerodur被用于光学和结构部件，包括Meteosat地球观测卫星上的成像设备以及与LISA探路者任务相关的光学平台。在半导体和显示制造中，其尺寸稳定性支持晶圆步进机和扫描系统，在这些系统中，精确且可重复的定位对光刻至关重要。Zerodur还用于惯性测量系统的部件，包括用于导航的环形激光陀螺仪。 除了低热膨胀外，该材料还因其三维均匀性、低气泡和夹杂物、无孔性、化学稳定性、低氦渗透性以及接受涂层的能力而受到重视。其硬度大致与硼硅酸盐玻璃相当，而最高规定使用温度约为600摄氏度。因此，Zerodur被定位为高精度系统的工程材料，而非面向消费者的玻璃品牌。其商业重要性来自于大型或高精度部件所需的苛刻制造、加工、检验和定制。

Zerodur源于肖特在20世纪60年代对微晶玻璃的研究。该开发由Jürgen Petzoldt领导，并与天文观测台的需求密切相关。望远镜镜面基底必须在制造、白天储存和夜间运行之间的温度变化中保持形状的极度一致性。热膨胀较大的传统材料可能引入畸变，降低光学系统的精度。 一个重要的早期需求来自马克斯·普朗克天文学研究所的创始所长汉斯·埃尔塞瑟。1966年，埃尔塞瑟询问肖特是否能制造非常大的低膨胀微晶玻璃铸件，包括一个接近四米大小的铸件。这一要求带来了熔化、浇铸、退火、结晶、均匀性和应力控制方面的挑战。1969年，该研究所订购了一块3.6米镜面毛坯和十块较小的基底。镜面毛坯于1975年底交付，最终于1984年在西班牙卡拉尔阿尔托天文台的一台望远镜中投入使用。随后，更多的望远镜镜面订单接踵而至，帮助确立了Zerodur作为大型天文光学材料的地位。 该材料的性能基于两阶段制造工艺。首先，氧化锂、氧化铝、二氧化硅及相关成分在约1600摄氏度的温度下熔化。熔体被浇铸到模具中，然后在受控退火过程中冷却，以消除成型过程中引入的应力。随后对所得玻璃进行微晶化处理。在此阶段，受控的体积结晶产生高石英纳米微晶，通常描述为约30至50纳米大小。微晶的负热膨胀抵消了残余玻璃相的正膨胀，形成平均膨胀接近零的复合材料。 大型或高度均匀毛坯的生产在每个主要阶段可能需要数月时间。这一长周期反映了控制温度梯度、内应力、晶体发育、夹杂物、气泡、条纹和尺寸均匀性的需要。生产后，毛坯可根据特定的光学或结构用途进行加工和抛光。该材料的低膨胀性辅以化学稳定性、低氦渗透性、无孔结构和良好的涂层兼容性。 天文学成为最早可见的应用领域。Zerodur已被用于主要天文台的镜面基底，包括凯克I和凯克II望远镜、霍比-埃伯利望远镜、加那利大型望远镜、德瓦斯塔尔光学望远镜、欧洲南方天文台的8.2米甚大望远镜以及极大望远镜项目。它还被用于机载SOFIA望远镜的主镜。Astro Systeme Austria已将Zerodur纳入其部分望远镜产品中。 该材料后来与空间仪器和精密制造相关。Zerodur部件已用于Meteosat地球观测卫星的成像系统以及LISA探路者任务的光学平台。在半导体和显示光刻中，该材料通过为精确、可重复的定位提供稳定平台来支持晶圆步进机和扫描仪。它还用于与光刻相关的折射光学部件。在导航中，Zerodur在惯性测量系统中有应用，包括环形激光陀螺仪。 因此，Zerodur最好被理解为工业材料品牌，而非传统的成品品牌。其身份与微晶玻璃的性能、制造的规模和一致性以及其集成到的专业工程系统紧密相连。可用的参考资料未提供该品牌的独立成立日期、独立公司结构、财务信息或现任高管名单。

• 1984

  早期镜面在卡拉尔阿尔托投入使用

  [1]Zeroduren.wikipedia.org

  早期大型镜面在西班牙卡拉尔阿尔托天文台的一台望远镜中投入使用。

• 1975

  早期望远镜镜面毛坯交付

  [1]Zeroduren.wikipedia.org

  经过长时间的熔化、成型、退火和加工，早期大型镜面毛坯于年底交付。

• 1969

  马克斯·普朗克研究所订购大型镜面毛坯

  [1]Zeroduren.wikipedia.org

  该研究所订购了一块3.6米镜面毛坯和十块较小的镜面基底，为该材料创造了重要的早期生产挑战。

• 1966

  提出大型天文镜面需求

  [1]Zeroduren.wikipedia.org

  马克斯·普朗克天文学研究所的汉斯·埃尔塞瑟询问肖特是否能生产大型低膨胀微晶玻璃铸件，包括一个近四米的镜面毛坯。

• 1960

  肖特开始开发低膨胀微晶玻璃

  [1]Zeroduren.wikipedia.org

  肖特在20世纪60年代开展微晶玻璃开发，由Jürgen Petzoldt领导，以满足对尺寸稳定的望远镜镜面基底的需求。

用于高要求光学、半导体、太空和惯性导航应用的高精度、近零膨胀微晶玻璃平台。

• 天文光学

  Zerodur望远镜镜面基底

  大型和小型Zerodur毛坯用作天文镜面的基底。其近零热膨胀有助于在环境条件变化时保持预期的镜面形状。该材料已用于地面天文台、机载天文学以及从大型研究仪器到与极大望远镜相关的望远镜项目。

• 半导体和显示制造

  Zerodur光刻部件

  在晶圆步进机和扫描系统中，Zerodur为精确且可重复的晶圆定位提供尺寸稳定的部件。它还用于光刻的选定折射光学部件，其中热稳定性支持制造芯片和显示器所需的精度。

• 太空光学和结构

  Zerodur太空仪器部件

  Zerodur已用于太空相关的成像和光学结构，包括Meteosat地球观测卫星的成像仪和LISA探路者任务的光学平台。其使用反映了在苛刻热环境中精密仪器对稳定几何形状和可预测性能的需求。

• 惯性测量

  Zerodur惯性导航部件

  该材料用于惯性测量系统，包括环形激光陀螺仪。其低热膨胀有助于保持有助于精密导航和测量的部件的尺寸稳定性。

1. 1Zeroduren.wikipedia.org