Zerodur

Zerodur — торговая марка стеклокерамического материала с коэффициентом теплового расширения, близким к нулю, разработанного немецкой компанией Schott AG. Материал относится к классу ситаллов (стеклокерамики) и производится путём контролируемой кристаллизации специально подобранного литий-алюмосиликатного стекла. Zerodur используется преимущественно в оптической промышленности, астрономии и микроэлектронике, где требуется высокая размерная стабильность при перепадах температур.

История

Разработка Zerodur началась в 1960-х годах в исследовательском центре компании Jenner Glaswerk Schott & Gen. (ныне Schott AG) в Майнце, Германия. Первые промышленные образцы были получены в 1968 году. Целью создания материала было устранение недостатков традиционного кварцевого стекла, которое, несмотря на низкий коэффициент теплового расширения (около 0,5×10⁻⁶ К⁻¹), всё же деформировалось при значительных температурных колебаниях. В 1970-х годах Zerodur начал использоваться в производстве зеркал для наземных телескопов, а в 1980-х — в литографическом оборудовании для производства микросхем.

Состав и технология производства

Исходное стекло для Zerodur содержит оксиды кремния (SiO₂), алюминия (Al₂O₃), лития (Li₂O), а также небольшие добавки оксидов магния, цинка, титана и циркония. Производственный процесс включает несколько этапов:

1. Варка стекла при температуре около 1500 °C.
2. Формовка заготовок (литьё, прессование или вытягивание).
3. Контролируемая термообработка (церование) при температуре 700–900 °C, в ходе которой в стекле образуются кристаллы твёрдого раствора на основе β-кварца и β-сподумена.
4. Медленное охлаждение для снятия внутренних напряжений.

Ключевая особенность технологии — точное управление степенью кристаллизации (обычно 70–80 % объёма). Образующиеся кристаллические фазы имеют отрицательный коэффициент теплового расширения, что компенсирует положительное расширение остаточной стеклофазы. В результате суммарный коэффициент теплового расширения материала составляет от −0,1×10⁻⁶ до +0,15×10⁻⁶ К⁻¹ в диапазоне температур 0–50 °C.

Физико-механические свойства

Основные характеристики Zerodur:

• Плотность — 2,53 г/см³.
• Модуль Юнга — 90,3 ГПа.
• Твёрдость по Виккерсу — 620 МПа.
• Прочность на изгиб — 25–35 МПа (зависит от обработки поверхности).
• Коэффициент теплопроводности — 1,46 Вт/(м·К).
• Термостойкость — до 800 °C (кратковременно до 1000 °C).

Материал прозрачен в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (коэффициент пропускания около 90 % при толщине 10 мм), однако чаще используется в непрозрачном виде — после полировки поверхность имеет характерный белый или светло-серый оттенок.

Применение

Астрономия

Zerodur является стандартным материалом для изготовления главных и вторичных зеркал крупных наземных телескопов. Среди объектов, использующих зеркала из Zerodur: телескопы обсерватории Параналь (VLT, диаметр зеркал 8,2 м), Большой Канарский телескоп (10,4 м), а также российский телескоп БТА (6 м, зеркало заменено в 2018 году). Нулевое тепловое расширение позволяет сохранять форму зеркала при ночных перепадах температуры, что критично для качества изображения.

Оптическая промышленность

Из Zerodur изготавливают эталоны длины, плоские оптические пластины, зеркала для лазерных гироскопов и интерферометров. Материал применяется в качестве подложки для дифракционных решёток и в системах лазерной гравитационно-волновой обсерватории LIGO.

Микроэлектроника

В фотолитографии Zerodur используется для изготовления столиков и позиционеров в степперах — установках, экспонирующих схемы на кремниевых пластинах. Термостабильность материала обеспечивает нанометровую точность совмещения слоёв.

Другие области

Zerodur находит применение в аэрокосмической технике (оптические системы спутников), метрологии (калибровочные меры), а также в производстве высокоточных координатно-измерительных машин.

Ограничения и особенности обработки

Несмотря на высокую термостабильность, Zerodur чувствителен к механическим ударам и хрупок. Обработка материала (резка, шлифовка, полировка) требует алмазного инструмента и занимает значительное время. Крупные заготовки (диаметром более 4 м) отливаются в специальных формах; процесс остывания и кристаллизации может занимать несколько месяцев. Стоимость материала высока, что ограничивает его применение серийными высокотехнологичными изделиями.

Альтернативы

Конкурирующими материалами с низким тепловым расширением являются плавленый кварц (коэффициент около 0,5×10⁻⁶ К⁻¹), стеклокерамика ULE (производство Corning, США) и карбид кремния (SiC), используемый в космической оптике. Zerodur выделяется среди них сочетанием нулевого расширения в широком диапазоне температур и возможностью изготовления заготовок большого размера.