Zerodur (Зеродур) – общие сведения на стеклокерамику производства SCHOTT

Zerodur (Зеродур) – общие сведения на стеклокерамику производства SCHOTT

Zerodur – фирменное наименование стеклокерамики, продукта производства известной международной технологической группы «SCHOTT». Этот уникальный материал, предпочтительный для сферы астрономии, успешно применяется, как непосредственно на Земле, так и в условиях космоса. Изобретение материала — стеклокерамики нулевого расширения, относят к периоду 1968 года. Именно тогда, можно сказать, открылась новая эра производства высокотехнологичных систем, наиболее сложными из которых являются подложки зеркал телескопов, используемых в области астрономии. Рассмотрим уникальный материал – стеклокерамику, с целью лучшего знакомства.

Zerodur – представление технологичных свойств

Стеклокерамика нулевого расширения, наделённая исключительными свойствами, подходящими для требовательных применений, это Zerodur. Здесь геометрическая форма, а также изменение расстояния должны сохраняться как можно меньше при изменении температуры. Ключевые свойства материала следующие:

  • низкий коэффициент теплового расширения (КТР) в широком диапазоне температур;
  • выраженная однородность КТР по всему объёму материала;
  • низкий уровень дефектов;
  • возможность получения широкого диапазона точных геометрических форм через процесс шлифования;
  • достижение гладкости поверхности с остаточной шероховатостью менее 1 нм;
  • высокая степень химической стабильности.

Все отмеченные свойства полностью согласуются с исключительным воспроизводством, как для небольших компонентов, так и для больших заготовок зеркал телескопов, используемых в астрономии. Такого рода отдельные изделия могут иметь вес в несколько тонн. Таким образом, Zerodur является определяющим фактором производительности и качества многих впечатляющих применений, где используются современные технологии:

ступени и зеркала для литографического оборудования IC и LCD;

  • зеркальные подложки сегментированных и больших монолитных астрономических телескопов.
  • сверхлёгкие заготовки конструкций зеркал;
  • стандарты точной измерительной техники;
  • высокоточные механические детали;
  • эталоны технологии прецизионных измерений.

Zerodur как материал, по сути, представляет неорганическую, непористую стеклокерамику на основе литий-алюминия-кремния. Такого рода продукт характеризуется равномерно распределёнными нанокристаллами остаточной стеклянной фазы.

Как производится стеклокерамика Zerodur?

Производство стеклокерамики Zerodur осуществляется в два этапа. На первом этапе расплавляется отобранное сырьё, очищается, гомогенизируется и разливается по формам, Процедура аналогичная процессу оптического плавления стекла, внедрённому специалистами «SCHOTT», доведённому до совершенства.

Далее следует процедура отжига для релаксации напряжений. Прецизионный процесс керамизации — второй этап, в результате прохождения которого получают стеклокерамику за счёт кристаллизации с контролируемым объемом.

Отрицательный коэффициент линейного теплового расширения кристаллов компенсирует положительное расширение оставшихся 30% стеклянной матрицы. Высокую степень однородности и внутреннее качество Zerodur можно объяснить хорошо зарекомендовавшим себя процессом плавления оптического стекла. Таким способом производятся различные заготовки, включая те, что имеют размер до 8 метров в диаметре.

Одна из конструкций зеркала на основе стеклокерамики Zerodur
Пример изготовления на основе стеклокерамики Zerodur структурированной задней поверхности бланка главного зеркала телескопа ОВЕН, диаметр которого составляет 3,7 метра

Вариации коэффициента термического расширения находятся в границах ± 1,2 · 10-9 / K (95%). Процедуры плавления, литья, отжига улучшены с целью обеспечения непрерывного производства, благодаря чему воспроизводится высокое качество, необходимое для зеркальных подложек. Например, больших сегментированных астрономических телескопов.

Компания «SCHOTT» обеспечивает поставки большого количества зеркальных подложек диаметром 1 — 2 метра при сохранении высокого уровня качества. Сейчас Zerodur используется в качестве материала подложки зеркал всех сегментированных телескопов, эксплуатируемых во всём мире.

Как осуществляется обработка материала Zerodur?

Переработка в сложные геометрические формы стеклокерамики Zerodur выполняется на основе технических чертежей клиентов и спецификаций с применением технологии алмазного шлифования. Работа выполняется на современных станках с ЧПУ. Используются различные станки с ЧПУ, от прецизионных 5-осевых машин с меньшей геометрией, до машин длиной 4,5 метров для производства больших зеркальных подложек.

Особенностью процесса обработки Zerodur является лёгкий вес спутниковых зеркал. Непрерывное совершенствование процесса позволило производителю достичь сложных соотношений сторон высоты кармана к толщине ребра. Стенки высотой 190 мм и толщиной всего 2 мм обеспечивают легкий вес 90%, тогда как остаточный вес составляет всего 22 кг для зеркальной заготовки диаметром 700 мм.

Обработка Zerodur требует алмазного инструмента. Стандартные размеры алмазного зерна при этом находятся в диапазоне D64 — D251. Типичные средние значения шероховатости поверхности Ra <3,5 мкм достигаются при черновом шлифовании и резании. Благодаря сочетанию процесса с нужным инструментом, по запросу заказчика может быть реализована более гладкая шероховатость Ra <1 мкм.

Допуски на размеры ISO 2768, стандарт общих допусков (классы v, c, m, f), а также допуски формы и положения, перечисленные в ISO 2768 (классы L, K, H), соблюдаются. В зависимости от геометрии возможны более жёсткие допуски, которые не могут свободно комбинироваться. По специальному запросу возможны более узкие допуски.

Все детали поставляются покрытыми защитными скосами на всех острых кромках, что исключает возможное повреждение. Современная обработка станками ЧПУ позволяет изготавливать множество геометрических форм, включая:

  • отверстия,
  • глухие отверстия,
  • полузамкнутые отверстия,
  • поверхности произвольной формы с любой геометрией.

По причине хрупкой природы материала, невозможным становится производство резьбы непосредственно в материале. Поэтому применяются металлические вставки с резьбой в деталях Zerodur.

Какую прочность на изгиб имеет стеклокерамика Zerodur?

Расчетная прочность стекла и стеклокерамики на изгиб обычно не является постоянной величиной материала. В основном это зависит от состояния поверхности конкретной детали и условий предполагаемого применения. Основное влияние оказывает наличие микротрещин под поверхностью.

В областях растягивающего напряжения максимальная глубина определяет нагрузку, которую может выдержать конкретная деталь. Меньшие микротрещины обычно определяют более высокую прочность. С увеличением размера области, подверженной растягивающим напряжениям, могут возникать более глубокие трещины в соответствии с вероятным  распределением.

Два разных продукта на основе Zerodur
Две производственные технологические вариации, одна из которых (слева) представляет стандартный Zerodur, другая (справа) представляет стеклокерамику Zerodur 20

Большие нагруженные площади приводят к снижению прочности конструкции. Поверхности, подверженные быстрому возрастанию напряжения, оказываются более прочными, чем поверхности с медленными темпами подъёма напряжения. Когда напряжение в нагруженных областях Zerodur превышает пороговое значение, микротрещины увеличиваются, ускоряются с увеличением напряжения. Этот процесс поддерживается наличием влажности. Сухая среда и вакуум создают наилучшие условия с точки зрения расчётной прочности.

Как правило, расчётная прочность на изгиб рассчитывается на основе параметров статистического распределения Вейбулла, что позволяет учесть перечисленные выше влияния. Параметры Вейбулла для различных условий поверхности и дополнительная информация о прочности Zerodur на изгиб приведены в технической литературе.

Фактически Zerodur без проблем выдерживает нагрузки до 10 МПа, если поверхность не сильно повреждена. Для более высоких нагрузок рекомендуется проводить анализ на основе модели Вейбулла с принятием мер предосторожности, предотвращающих ухудшение качества поверхности. Более высокие нагрузки (более 50 МПа) могут потребовать специальной обработки поверхности, такой как оптическая полировка или кислотное травление.

Основные эксплуатационные свойства

Таблица: термальные свойства Zerodur

Теплопроводность λ при 20°C, Вт / (м · K) 1,46
Индекс теплопроводности при 20°C, 10–6 м2 0,72
Удельная теплоёмкость при 20°C, Дж/(г · K) 0,80

Таблица: механические свойства Zerodur

Модуль Юнга E при 20°C, ГПа 90,3
Число Пуассона, μ 0,24
Плотность, ρ г/см3 2,53
Твердость по Кнупу HK 0,1/20 (ISO 9385) 620

При помощи информации: SCHOTT