3、硼硅酸盐玻璃镜坯

3.1PyrexCorning

1930年代以来,以Corning公司膨胀系数30×10-7℃-1的低膨胀玻璃Pyrex为代表的硼硅酸盐玻璃开始用做大型天文望远镜主镜坯。硼硅酸盐玻璃的组成示于表4。典型代表为口径20吋(5.08m)、建于美国加州的Palomar天文台的Hole望远镜。

Hole望远镜的计划从1930年代初开始,Corning公司开展玻璃镜坯的研制。Halo望远镜因第二次世界大战而停顿。直到战后的1948年6月3日建成。是当时世界上口径最大的望远镜,性能优越。直到1993年Keck望远镜建成才被超越。采用膨胀系数低的Pyrex玻璃是望远镜镜坯材料的一大进展。为Hale200吋镜坯材料,Corning进行了一系列小镜坯的制造。1932年提供直径82吋(3.05m)、厚30cm镜坯用于建造Macdonal望远镜。1933年提供直径74吋(1.88m)镜坯供DavidDunlap望远镜。Corning于1934年12月20日完成200吋镜坯的浇铸。镜坯毛重40000磅(18.1t),镜坯背面有宽100mm的筋,减轻镜坯质量并改善镜坯的热分布[4,5]。

表4硼硅酸盐玻璃组成(质量分数)/%

3.2ЛK5原苏联

原苏联曾制造直径6m、低膨胀系数、硼硅酸盐系统光学玻璃牌号ЛK5的镜坯,建成的望远镜现在仍然使用。1950年代,我国考虑建造大口径天文望远镜。为建立大镜面研磨抛光设备及光学检验设备,用于练兵,从原苏联订购一块直径2.2m的ЛK5。1960年代初到货,置于中国科学院光学精密机械研究所玻璃车间,作者参与检测和验收。镜坯直径2.2m、重3t、平板状、没有蜂窝结构。镜坯由3埚玻璃浇铸,具有明显的浇铸界面,结石和气泡较多。

1958年,2.16m望远镜列入国家重点研究项目,中间曾停顿数年,1972重新启动。原由上海新沪玻璃厂制造的2块口径2.2m零膨胀微晶玻璃均因事故而破碎,使用此玻璃为主镜。1974年由承担望远镜总体工程的南京天文仪器厂研磨抛光。2.16m天文望远镜1989年于北京兴隆的中国科学院国家天文台兴隆观测站建成。

3.3硼硅酸盐高温槽沉旋转成形Arizona大学

Arizona大学Steword天文台的镜坯实验室发展了一种轻量、高刚度、低膨胀系数玻璃镜坯的方法[6,7,8],基本原理是用高质量玻璃为原料,放置于特制的模型中,加热使玻璃软化流动进入模型中,高温下旋转整个模具使玻璃形成抛物面。使用日本Ohara公司的E6光学玻璃,膨胀系数27.8×10-7℃-1。制品为蜂窝状、三明治结构。上层为抛物面反射层,中间为薄的筋,底部为平面。具有特轻量、高刚度、温度变化时易于趋向温度平衡等优点。

图2为制造直径8.4m蜂窝状镜坯加热成形炉的截面图。侧面为铁铬镍加热带,底部和上部配置碳化硅加热板。整个加热炉高温下可旋转。设置600根热电偶控制温度。每块大约5kg的E6光学玻璃放置于顶部。

图2制造直径8.4m镜坯加热炉截面图

1983年直径1.8m2块,1985年直径1.8m1块,1990年直径3.5m数块,1998年直径8.4m2块。

对直径8.4m的镜坯,玻璃块总质量19t,加热到750℃,加热炉开始以6.8r/min旋转。升温到1165℃,使玻璃软化流动充满模子。旋转使表面玻璃形成曲率半径为R的抛物面。

式中g为重力加速度;W为以弧度为单位的角速度。

图38.4m蜂窝状三明治结构镜坯

保温5h后降温,2天降至650℃。在530~450℃区间以0.1℃/h降温速率降温。制造周期14周。图3为8.4m蜂窝状三明治结构的镜坯示意图。毛坯直径8.45m、中心孔0.889m、上表面镜面厚度28mm、底部平板厚25mm、筋的厚度12mm、共有1662个六角形蜂窝洞,总质量16t。

SOML陆续制造了一批镜坯供建造望远镜:

(1)SDSS2.5mSloanDigitalSkySurvay美国新墨西哥州

(2)Lennon1.8mAliceP.Lenon望远镜,Vatican天文台美国亚利桑那州

(3)APO3.5mApachePoint天文台美国新墨西哥州

(4)WIYN3.5mKittPeak的SouthwestRidge亚利桑那州

(5)SOR3.5m美国空军Phillips实验室建造Kircland空军基地新墨西哥州

(6)MMT6.5m用于取代MMT1.8m望远镜列阵美国夏威夷

(7)Magellian6.5m2个直径6.5m的望远镜组成的列阵LasCampanas天文台智利

(8)LBT8.4m2个8.4m组成的望远镜Graham国际天文台亚利桑那大学亚利桑那州

4、零膨胀微晶玻璃

微晶玻璃是对原始玻璃通过升高温度进行可控析晶而制得的、由微晶体在玻璃相中均匀分布的材料。在结构、性能和制造方法方面都与玻璃和陶瓷有差别,但却同时具有二者的优点。以Li2O-Al2O3-SiO2系统为基础、β-石英固溶体为唯一晶相的微晶玻璃具有接近零的膨胀系数、高机械强度、优良的热稳定性和化学稳定性。由于可见区透明,可对玻璃的气泡、条纹、折射率分布、均匀性、残余内应力进行检测,成为大型天文望远镜坯的首选材料。

Stookey1960年以Ceramics为题的微晶玻璃专利中,包括几十种玻璃、十几种晶相。锂霞石固溶体为主晶相的2个玻璃组成列于表5。玻璃中引入大量TiO2、少量ZrO2,均可作为晶化剂。热处理后的晶相为β-锂霞石固溶体和金红石。晶化前母体玻璃膨胀系数在50×10-7/℃,晶化后膨胀系数为17.2×10-7/℃。实现了通过热处理产生低膨胀晶相、降低玻璃膨胀系数的目的。Li2O-Al2O3-SiO2系统成为零膨胀微晶的基础系统。Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃的结构、成核和晶化参见“透明微晶玻璃”[9]。

表5Stookey的Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃组成(质量分数/%)及膨胀系数[10]

4.1Cer-VitOwens-Illinois

美国Owens-Illinois公司1968年制造直径4m低膨胀微晶玻璃天文望远镜镜坯3块,是最早的低膨胀微晶玻璃。Austin1969年的专利中的玻璃组成列于表6中[11]。

表6Owens-Illinois微晶玻璃组成(质量分数)/%

大块镜坯晶化后测定膨胀系数α,例1玻璃在0~300℃的膨胀系数α为0.2×107/℃,例2玻璃α接近零。

4.2ZerodurSchott

4.2.1Zerodur发展过程

1954年,DonaldStookey发现玻璃的微晶化和微晶玻璃后,1957年,Schott开始实验室研究工作,集中于Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃,以玻璃烧锅、餐具、厨房炉灶为对象。这些玻璃都具有很好的热机械性质。1966年,德国Heidelberg大学天文台询问Schott关于制造4m望远镜镜坯的可能性,Petzold开始用于望远镜镜坯的发展,商品名称Zerodur。1968年,Max-Planck天文研究所(MPIAMax-PlanckInstituteofAstronomy)正式订购11个镜坯,最大直径3.6m。Schott于1973年12月28日浇铸直径4m镜坯,1975年1月完成晶化。CarlZeiss研磨抛光后,最终主镜直径3604mm、厚593mm的望远镜于1984年建成,安装于西班牙的CalarAlto天文台。Schott历时9年,最终开拓了大型零膨胀微晶望远镜的商业生产[12~13]。

4.2.2Zerodur的化学组成

表7为Zerodur玻璃的化学组成[14]。表8为晶相的化学组成[14]。与Owens-Illinois的微晶玻璃不同,Zerodur含P2O5。

表7Zerodur微晶玻璃组成

表8Zerodur微晶玻璃晶相组成

4.2.3Zerodur的膨胀系数及膨胀系数均匀性[15]

对Zerodur玻璃,膨胀系数是其主要性质。Zerodur的膨胀曲线示于图4。大约在-50~150℃范围保持极低的膨胀系数。Zderodur产品按膨胀系数分级。如表9所示。

图4Zerodur的膨胀曲线

表9Zerodur的膨胀系数等级

与光学玻璃追求光学均匀性一样,低膨胀玻璃要求膨胀系数的均匀性。Schott曾测量1.6m直径镜坯整个平面的膨胀系数分布。平均膨胀系数42.4×10-9℃-1,膨胀系数偏差峰谷值6.4×10-9℃-1。图5为直径1.6m镜坯的膨胀系数偏差和偏差沿径向的分布。

4.2.4大型镜坯制造[16]

大型镜坯熔化使用间隙式池炉浇铸成形。1991到1996年,为制造欧洲南方天文台VL望远镜8.2m主镜镜坯,建立专门设备,示于图6。池炉容积28m3、玻璃质量70t。上部燃料加热,底部辅助电热。加料10天、澄清温度1600℃、降温到1400℃浇铸。玻璃和模具转移到旋转设备上,旋转浇铸模形成抛物面。

图5直径1.6m镜坯的膨胀系数偏差的沿径向分布

图68m望远镜镜坯制造设备(右面为熔炉和浇铸设备,左面是模具加热和旋转设备)

4.2.5轻量化

通过研磨加工方法实现,图7为轻量化的各种图案[17]。按质量计算可减轻70%。以MMT的一个辅镜为例,直径1714mm,轻量化后仅290kg。

图7轻量化的各种图案

4.2.6典型镜坯使用

Zerodur地基望远镜的典型镜坯应用示于表10和表11。

表10Zerodur地基望远镜单片主镜的典型应用[12~13]

表11Zerodur地基望远镜拼接主镜的典型应用

4.3V01V02新沪玻璃厂

4.3.1研究历程

中国的LiO2-Al2O3-SiO2系统零膨胀透明微晶玻璃的发展最早在上海新沪玻璃厂进行,由钟奖生负责研究和发展。1973年开始进行玻璃组成优化,发展了牌号为VO1的微晶玻璃。用生产光学玻璃工艺,大容积黏土坩埚熔化、搅拌和浇铸成形技术。1974年制成直径65cm、厚12cm的镜坯,供中国科学院北京天文台太阳望远镜使用。为改进熔化工艺性能,1975年发展了VO2玻璃。1977年制成直径1.6m、厚度22cm、重800kg的蜂窝状镜坯,供中国科学院上海天文台建造激光测月装置。1978年建成间歇式池炉,同年浇铸3块直径2.3m、厚0.35m、重4t的镜坯。1979年2月,完成玻璃晶化和精密退火。

在研究和制造过程中,解决了玻璃组成、各氧化物对微晶玻璃膨胀系数影响的实验测定、热处理过程中的物理性质变化、X-射线衍射晶相鉴定、大型制品核化和晶化工艺及监控手段、精密退火等技术问题。建造了熔化量为8t的池炉、浇铸成形设备、精密退火炉、大型镜坯的质量检测技术和装置。在上世纪制造了一批大型微晶玻璃镜坯。利用这些成熟的技术和设备,本世纪初为我国大天区面积光纤光谱天文望远镜(LAMOST)的建造,谢瑞虎、黄维彦负责项目,蒋亚丝承担VO2玻璃微晶化过程的物理化学和大型镜坯的微晶化工艺[9,18]。在原有技术基础上,重建设备,承担了一批直径为1150mm、厚度85mm主镜镜坯的生产。

4.3.2技术进展

(1)玻璃组成。钟奖生就LiAl2O4、MgAl2O4、ZnAl2O4、AlPO4、SiO2等晶相对膨胀系数的影响进行了半定量研究,成为组成调整的基础。蒋亚丝[9]归纳了低膨胀微晶玻璃的化学组成为:

钟奖生对V01的玻璃组成进行改进,发展了V02玻璃。澄清温度下降50℃,以适应1970年代熔炉、耐火材料、燃料和坩埚的使用。后期的V02玻璃的组成示于表12。

表12VO2玻璃化学组成[19]

(2)间歇式池炉。由轻工业部玻璃搪瓷研究所设计,新沪厂建设。八角形熔池、熔化面积4.23m2、玻璃液深0.825m,玻璃容量8t。上部设置4台搅拌机。煤气加热,助燃空气预热,澄清温度1560℃以上。降温到1420℃从安装在底部的玻璃流出管流出浇铸。2.2m镜坯需时1h,玻璃和模具一起转入晶化炉退火和晶化。完成了最大2.2m直径镜坯的制造。

(3)蜂窝状镜坯制造。1976年采用700L坩埚、1.5t玻璃、在煤气加热炉中1540℃熔化、澄清、搅拌、降温。玻璃浇铸于圆形铁模。用预制的具有许多六角形耐火材料压模压入处于可流动状态的玻璃中,使玻璃背面形成蜂窝状。玻璃进入退火炉进行39天的退火。退火后玻璃挖去压模、粗加工、周期62天的晶化。1977年提供成品。建成的1.56m天体测量望远镜已在中国科学院上海天文台佘山观测站使用了近40年。

图8用于LAMOST的V02微晶玻璃-50~100℃的相对长度变化

(4)玻璃微晶化。钟奖生测量了V02玻璃晶核形成与温度的关系,晶体生长速率与温度的关系;确立了代表晶相含量的X射线特征峰的峰高与玻璃折射率的关系。蒋亚丝研究了V02玻璃热处理过程中的物理性质变化[18]。根据这些结果,测量晶化过程中不同时间的样品的折射率,可了解晶化过程中大镜坯内的晶相含量、计算晶相生长速率、体积收缩等。通过升高温度或降低温度控制晶化过程,达到可控晶化。同时建立了大型镜坯“一次晶化”技术。与通常将浇铸后的玻璃退火、冷却、检查、再升温晶化的方法不同。采用浇铸后的镜坯直接进晶化炉微晶化的技术。

(5)膨胀系数。取自1979年制成的直径2.2m镜坯的样品,测量0~100℃的相对长度变化,计算的0~50℃平均膨胀系数为0.26×10-7℃-1。LSMOST玻璃样品,由Schott测定的V02玻璃-50~100℃的相对长度变化测定结果示于图8。0~50℃的平均热膨胀系数为0.07×10-7/℃。

4.3.3成品

从1974年开始,以口径2.2m望远镜镜坯为主要目标的10年内,共提供了一批大型镜坯。直径2.2m3块、直径1.9m1块、直径1.65m5块、直径1.3m4块和直径1.2m22块。除2.2m镜坯因加工检测中损坏外,其它镜坯已用于我国的天文光学仪器。1990年代为LAMOST提供了直径1150mm、厚度30mm和直径1150mm、厚度85mm的一批镜坯。

5、总结

(1)1968年Owens-Illinois制造出4m口径微晶玻璃望远镜镜坯以来,因其优越的机械和热机械性能、光学加工性能好,可制得高精度光学反射镜面,尤其是极低的热膨胀系数,成为大型反射望远镜镜坯的主要材料。

(2)Schott自1968年接受订货到1975年1月交货,共用了7年。此后,Zerodur以其优良的性质和严格的质量控制,为世界上大型望远镜提供了超过一半以上的镜坯。我国1990年代的LAMOST项目中,Schott提供了大部分镜坯。

(3)上海新沪玻璃厂从1974年接受国家任务,1978年完成2.2m镜坯浇铸,1979年完成全部镜坯的晶化,共用了6年时间。完成了玻璃组成的确定、玻璃熔化、晶化、精密退火、检测等设备的建立。玻璃镜坯达到当时国际上同类产品的质量水平。2001年出版的ReflectingTelescopeOptics(Springer)书中认为当时世界上具有制造大型微晶玻璃镜片的3个地方为Schott、原苏联和中国上海。

(4)自新沪玻璃厂转产后,设备拆除、技术资料散失,失去了生产基础。从目前国内玻璃科学技术,耐火材料、燃料、窑炉技术状况,各光学玻璃厂完全具备制造大型微晶玻璃镜坯的能力。中材北京人工晶体研究院官网标明直径600mm左右的微晶玻璃产品。作者几年前在成都光明光电公司已看到直径600mm左右的微晶玻璃半成品。中国目前仍继续从Schott购入Zerodur,用做精密机械仪器的基座。国内大尺寸零膨胀微晶玻璃有一定的需求,希望各大型光学玻璃厂实现米级大尺寸、高质量、零膨胀微晶玻璃产品的国产化。

参考文献：

[1]王慧荣.强激光空基反射镜材料工艺探索和性能研究[D].上海:中国科学院上海光学精密机械研究所,1992.

[2]蒋亚丝.光学玻璃进展[J].玻璃与搪瓷,2010,38(1):46-50.

[9]蒋亚丝.特种光学玻璃[M].//姜中宏.新型光功能玻璃.北京:化学工业出版社,2008:351.

[18]蒋亚丝,钟奖生,黄维彦,等.热处理对Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃性质影响[J].光学学报,2002,22(7):886.

[19]黄维彦,谢瑞虎,刘宏伟.超低膨胀微晶玻璃:CN,1847182A[P].2006-10-18.

蒋亚丝.光学玻璃进展(八)——大型天文望远镜镜坯玻璃(续)[J].玻璃与搪瓷,2018,46(06):42-49.