摘要零膨胀锂铝硅透明微晶玻璃卓越的热学性能，优良的光学和机械性能使之成为不可或缺的

　　综合材料。主要介绍零膨胀LAS系透明微晶玻璃的主要形态和结构特征，热学、光学性能以及应用

　　零膨胀透明微晶玻璃在耐热性上具有显著优势，其材料的零膨胀性能对提高航空航天结构和电

　　子设备等的热几何稳定性有重要意义。卫星天线和电子器件等工作环境复杂，不均匀的温度分布和

　　大的温度变化会引起较大的热变形，造成信号失真：大的温度变化往往引起大的温度应力，造成结

　　构破坏。到目前为止，近零膨胀的陶瓷材料主要集中在⋯如NZP(NaZrt (PO。)。)陶瓷、钛酸铝及其复

　　合陶瓷几个系列，因此，研究开发低热膨胀材料或零膨胀材料，可以大大增强材料的抗热冲击性能，

　　种类，晶相含量以及晶相的微观分布所决定。通常LAS在热处理过程中析出的晶相有晗’31：B一石英

　　固溶体、§一锂辉石固溶体、B一锂霞石固溶体以及热液石英固溶体，它们的热膨胀系数、折射率以

　　及晶粒尺寸差别较大，对微晶玻璃整体性能的影响也不尽相同。这里主要介绍一下13一石英固溶体

　　13一石英固溶体微晶玻璃在室温下是不稳定的，但具有很低的热膨胀系数。已经商业化的B一石

　　英固溶体微晶玻璃，在分子式Li 。o_Al ：03- nSi 02中，Si O。组分系数n取值为6～8。锂铝硅透明微晶

　　玻璃其主晶相B一石英的晶粒尺寸一般为50～- 100nm，是可见光波长的1／10，且其晶相的折射率与

　　超低膨胀锂铝硅透明微晶玻璃是以Li 。0，A120a，Si O：为主要成分的玻璃经过热处理以后形成的

　　以p一石英固溶体为主要晶相的微晶玻璃。这种超低的热膨胀性能(某一温度区间可达到零膨胀)，

　　归因于负膨胀的9一石英固溶体的体积分数(70％以上)与正膨胀的剩余玻璃液的体积分数可以较

　　日本Ni ppon电子玻璃公司也生产出了以B一石英固溶体为主晶相的轻熔透明微晶玻璃，他们具

　　有很高的光透过性及零膨胀性能盯1。国外已有的B一石英固溶体为主晶相的微晶玻璃，分别是

　　B一锂辉石固溶体微晶玻璃也有良好的热力学性能，其中Si Oz组分系数n的取值范围是4一 10。

　　在900～1000℃之间，B一石英有可能转变成B一锂辉石，晶体尺寸的长大使这个过程不可逆，其晶

　　粒尺寸一般为0．5～2 l I m㈨。因此由于晶粒尺寸较大，这种微晶玻璃的光学性能受到影响，光的透

　　B一锂辉石热膨胀性能是各向异性的，a轴的膨胀系数为负，而c轴的热膨胀系数则是正的。B～

　　锂辉石固溶体的晶胞参数与其化学成分(主要是Si O。的含量)有着连续的变化，随着n值的增大，

　　温度升高时C轴膨胀的幅度越来越小，a轴收缩的幅度越来越大。所以，经同样的热处理制度处理

　　后形成的一系列B一锂辉石固溶体，其晶包参数随Si Oz含量的增多而趋于减小，热膨胀系数越来越

　　B一锂辉石较B一石英固溶体的膨胀系数小，但透光性差。其原因为n毛231热处理阶段刚开始析晶

　　时，虽然析出的B一石英具有很低的热膨胀系数，但是试样中存在大量的玻璃相，并且在试样中占

　　主要地位，虽然玻璃相产生的正膨胀与B一石英的负膨胀部分抵消，但是整体的膨胀系数仍然很大。

　　随着B一石英的进一步析出。晶相的含量增加，从而使整体试样的热膨胀系数降低。温度进一步升

　　高，B一石英慢慢转变为B一锂辉石幢引。虽然B锂辉石的晶粒较B一石英大，热膨胀系数稍高于B一

　　石英，但是由于此时晶相量大，在试样中占主导地位，因此试样的热膨胀系数进一步降低，当温度

　　锂铝硅微晶玻璃由于在较大的范围内具有低膨胀甚至零膨胀的特殊性能和较高的透过率而被

　　影响微晶玻璃性能的主要因素有啪· 23- 驯：基础玻璃的组成，添加剂、晶核剂的种类及含量，热

　　研制零膨胀材料的重要方法是从材料学的角度，利用化学方法制备具有合适原子结构的材料。

　　利用升高温度时原子间距离变大和原子振动引起原子间距离变小相互抵消的原理，实现材料的零膨

　　锂铝硅透明微晶玻璃最突出性能当属其卓越的热学性能，属于低膨胀、超低膨胀范畴，并且可

　　以在(- 5- - +80)×10_7／ C以内任意调节，经过精心设计可使其在某一温度范围内达到零膨胀。由

　　于其膨胀系数极小及优良的力学性能，锂铝硅透明微晶玻璃具有很高的热稳定性。

　　母体玻璃各项物理性能是各向同性，对可见光的散射和吸收较少，故透过率高，而LAS系微晶

　　玻璃在可见光范围内的透光率，主要受自身对光的吸收和晶粒对光的散射效应所影响。要使材料在

　　某一宽波范围内具有低的吸收系数，需要严格控制材料内部的均匀性以及夹杂物的含量。

　　微晶玻璃的透光率除了少量的光吸收外，主要受晶粒对光的散射效应的影响。根据Reyl ei ght

　　定律n3’1劓，散射光强度主要由晶相与玻璃相的折射率比值和晶粒尺寸决定。晶相与玻璃相的折射率

　　独特的光学性能使锂铝硅微晶玻璃获得广泛的应用。锂铝硅透明微晶玻璃在可见光区及近红外

　　区的透光率均在80％以上，5mm厚的Zerodure样品的透过率达90％以上。

　　由于锂铝硅微晶玻璃晶化程度高(70％以上)，又具有超细的微晶结构，并且质地均匀致密，

　　因而机械力学性能优良。锂铝硅微晶玻璃的机械强度比一般玻璃高得多，抗弯强度一般为100～

　　200Mpa。在低膨胀微晶玻璃表面进行涂层处理，以及对超低膨胀的微晶玻璃进行化学增强处理可以

　　零膨胀微晶玻璃主要应用在现代航空技术，集成线路板和光学器件中，如太空机器人，航天飞

　　机，宇宙飞船，天文望远镜或卫星的定位等方面：另一主要应用是耐高温的炊具、餐具，微波炉用

　　在光学系统中随着玻璃厚度的增加光损失逐渐加大(由于折射造成的光吸收)，所以最好用反

　　对于大型反射式光学天文望远镜u副，超低膨胀(零膨胀)微晶玻璃的重要性不言而喻。一方面，

　　其星象质量不受望远镜镜片热惯性的破坏；另一方面，镜片在研磨过程中不需要等到热平衡即可检

　　查质量，可大大缩短加工刷期。其镜片材料除了在热惯性上要求相当高之外，还需要有极小的内应

　　力，较高的机械强度和和硬度，良好的化学稳定性等。唯有超低膨胀微晶玻璃镜坯材料才能较好地

　　零膨胀透明LAS微晶玻璃(Zerodur)用来制造大型天文望远镜的反射镜是成功的应用范例之一，

　　由Zerodur微晶玻璃制的镜头系统可应用于分辨能力达500对线／mm的显微光刻装置中。使线

　　激光陀螺仪是用于精密测量叫转体系方向变化的仪器，是目前国际．卜最先进的新一代精密制导

　　系统的核心部件。广泛应用于导弹、卫星、军舰等领域。LAS系零膨胀透明微晶玻璃作为激光陀螺

　　仪的关键骨架材料，必须具有高度的透明性和高度的光学均匀性以及热循环条件下的长期热稳定性

　　和抗永久性畸变的能力n引，而Zerodur极低的膨胀性能和使用非常低的He渗透性对此应用来说尤

　　许多材料(金属、玻璃、晶体、塑料等)随温度变化膨胀或收缩，形状发生变化，所以必须预

　　锂铝硅微晶玻璃Zerodur具有低膨胀性能，甚至在环境温度O- 一100。C的变化区间内形状也不发

　　生变化。高能激光工业中的c0。激光谐振器中由多根长达20m的Zerodur棒组成并联结构，所以在

　　零膨胀LAS透明微晶玻璃具有机械强度高，坚硬耐磨以及良好的化学稳定性和热稳定性，能适

　　应恶劣的使用环境：软化温度高，即使在高温的条件下也能保持较高的机械强度；电绝缘性能优良，

　　介电损耗小、介电常数稳定；密度小，但质地致密，不透水、不透气等优异性能。

　　投影仪，卜反射器n踟所选用的材料及性能对整机的使用寿命、图像显示质量有重要影响，而且对

　　投影系统价格起着举足轻重的作用。特种电光源用耐热低膨胀微晶玻璃以其优良的性能、廉价的原

　　材料和较低的制造成本，不失为一种高性能、低价位、应用广泛的实用新型特种电光源用材料。

　　微波炉用器皿一般使用陶瓷或专用塑料，而不能用金属或搪瓷。这是因为微波碰上金属制品将

　　发生“短路”和反射现象。如果把食物盛在金属容器里加热，微波遇到金属容器后立即全部反射回

　　去，食物得不到热源加热；另外由于高频微波全部反射回去，就形成了电子技术上的“高频短路”，

　　零膨胀LAS透明微晶玻璃易被微波穿透、耐腐蚀，且耐热不易变形，不会因“短路”和反射现

　　高温观察窗用零膨胀LAS透明微晶玻璃㈨具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高屏效的特点，在满

　　足屏蔽性能和环境要求指标的前提下，提高了可视性要求和环境要求，为电子信息设备及系统的安

　　目前低膨胀微晶玻璃的产业化应用已经相对成熟，该领域的研究已经从基本性能的要求向低能

　　耗高性能的方向转变。虽然多年的研究使低膨胀锂铝硅透明微晶玻璃已经取得了令人瞩目的成果，

　　但是作为一种重要的多晶材料，零膨胀LAS透明玻璃的研究中仍然面临一些重要的研究课题心¨ 。一

　　方面在保持其性能的同时，改进玻璃的组成及制备工艺，避免高温熔制和成型造成的困难，降低成

　　本；另一方面要拓宽研究领域，将范围从高硅区扩展到中硅区，开拓新的研究领域。

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　　武丽华( Wu Li hua)，1983年8月生，女，籍贯山西平遥，讲师，材料学硕士，毕业后从事玻璃

　　Materi al s)。通讯地址：河北秦皇岛市河北大街西段104号，邮编：066004。