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石英人的无上光荣:“嫦娥”五号高纯耐辐照石英玻璃

高新材料 耐辐照玻璃 石英玻璃
发布:2021-03-05 10:40:47     来源:中国粉体网

近日发布的2020年度中国科学十大进展中,“嫦娥五号首次实现月面自动采样返回”入选。作为中国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程,嫦娥五号首次完成了地外天体采样与封装、首次地外天体表面起飞、首次月地入射并携带月球样品高速再入返回地球等中国航天史上多个重大技术突破,最终实现了中国首次地外天体采样返回,是中国航天向前迈进的一大步。

据中国建材报报道,嫦娥五号配套的耐辐照滤紫外石英玻璃、高纯耐辐照石英玻璃及以该技术开发的光掩膜石英玻璃,都是中国建材总院开发生产的。作为航天系统的光学石英玻璃供应商,中国建材总院基于石英玻璃高光学透过、耐受高能激光辐照、超低吸收、近零膨胀等优良性能,成功开发出6英寸以上光刻用石英玻璃镜头及光掩膜基板等系列产品,并在浙江衢州建立了高纯合成石英玻璃研发与产业化基地。

 
光掩膜石英玻璃(左)、耐辐照滤紫外石英玻璃(右上)、高纯石英玻璃(右下)

(图片来源:中国建材报)

据聂兰舰博士介绍,石英玻璃是由二氧化硅单一组分构成的特种工业技术玻璃,具有一系列特殊的物理和化学性能,并被新材料领域专家誉为“玻璃之王”。其优点如下:

1)极佳的光谱特性,从紫外到红外极宽的光谱范围内的光学透过能力(T157-4000nm≥80%),尤其在紫外和深紫外光谱范围内的透过性能是一般光学玻璃所不具备的;

2)优良的耐高温性能,其软化点与白金的熔点相近,热膨胀系数极小(5.5×10-7/℃),仅为陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20;

3)高介电场强度,低介电损失和极低的导电性,是极好的绝缘材料;

4)较高的纯度,人工合成石英玻璃的金属离子总含量可控制在1×10-6以内;

5)经过掺杂的石英玻璃具有其他特殊性能,如:光谱特性和超低膨胀系数等。

石英玻璃现已成为近代科学技术和现代工业不可或缺的重要材料,在航空航天、激光核技术、半导体集成电路、光电器件和精密仪器等高技术领域具有广泛的应用,主要作为精密光学系统透镜、反射镜、棱镜和窗口等的材料,其性能直接制约着相关装备的分辨率、精度、稳定性和可靠性等性能。

然而,由于其应用领域的特殊性,国外超纯石英玻璃相关技术及产品对中国实行完全封锁。据中国粉体网编辑的了解,传统的光学石英玻璃制备工艺有电熔、气炼、化学气相沉积(CVD)、等离子化学气相沉积(PCVD)、间接合成法和溶胶-凝胶法等。

其中,电熔和气炼工艺均是以高纯石英砂为原料,经过1800℃以上高温熔制成石英玻璃,由于原料纯度和熔制工艺自身的局限,所制备的石英玻璃纯度较低、紫外透过率差,而且存在较多气泡、杂点等缺陷,严重影响其光学性能,无法满足高端光电技术领域的应用需求。溶胶-凝胶法制备石英玻璃块体时,坯体易开裂,有机原料引入的残余碳导致玻璃在熔制过程易产生黑斑和气泡,而且反应时间较长,不利于工业化规模生产。

CVD制备的合成石英玻璃(国内牌号为JGS1),具有金属杂质含量低(<2×10-6)、远紫外透过率高(T190-2000nm≥85%)、光学均匀性高(优于2×10-6)等特性;但其羟基含量高达1000×10-6,在2.73μm处存在较大的吸收峰,影响其红外光学性能。此类合成石英玻璃广泛应用于航天、激光核技术、集成电路和精密仪器等领域。迄今,国际上仅有美国康宁公司(Corning)、德国贺利氏石英公司(Heraeus)等几大公司具备批量生产大尺寸、高性能光学石英玻璃的CVD工艺技术。

PCVD工艺是指采用高纯SiCl4为原料,以高频等离子体火焰代替氢氧火焰气相合成石英玻璃。PCVD工艺制备的石英玻璃的金属杂质和羟基含量低,具备优良的紫外-红外光谱透过性能、稳定的折射率以及良好的结构均匀性等特性,并且无气泡和杂点等缺陷,广泛用作各类光学透镜和高稳定性惯导器件的基材,如太阳器模拟、红外跟踪系统、紫外-可见-红外分光器等光学组件和光波导用石英光纤等。

在技术与市场的双重驱动下,2003年起,中国建材总院开始研发利用等离子体化学气相沉积技术制备超纯石英玻璃,其透过光谱范围极宽(近紫外-可见-近红外透过率>90%)、微观杂质极少(OH<2ppm,金属杂质<1ppm),并成功开发出大功率(200kW)等离子体化学气相沉积设备,形成了国内唯一的年产200kg超纯石英玻璃的生产线,填补了国内空白,打破了国外垄断。

 

等离子化学气相沉积石英玻璃工艺示意图

(来源:高性能光学合成石英玻璃的制备和应用,聂兰舰等)

据中国建材总院官网显示,其在我国功能玻璃与特种玻璃材料领域开创了多个第一。60年来,先后开拓了航空玻璃、石英玻璃、玻璃纤维、功能玻璃、功能薄膜等研究领域,研制成功了我国第一块航空玻璃、第一块石英玻璃、第一根玻璃纤维、第一根通讯光纤、第一片夜视用光纤面板、第一片实芯法微通道板等等。

通过几代科研工作者的不懈努力,中国建材总院已成为我国特种玻璃领域,集新品研制、技术集成、装备开发、标准制订、性能检测于一身的综合实力最强的研究单位,在特种玻璃材料领域共荣获国家科技进步奖52项,部级奖111项,获专利授权78项,为建立和完善我国特种玻璃材料领域的科技创新体系、推动我国特种玻璃材料领域的科技进步作出了重要贡献。

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