Präzisionsmaterial mit praktischer Nullausdehnung

Glaskeramik

Präzisionsmaterial mit praktischer Nullausdehnung

Die Glaskeramik wurde in den Jahren immer weiterentwickelt und ist mittlerweile das Material für die Spiegelträger in der Mehrheit der heutigen Großteleskope – in erdgebundenen Teleskopen wie auch im Weltraum. Bild: Schott
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Bereits vor einem halben Jahrhundert entwickelten Werkstoffspezialisten von Schott durch findige Prozesstechnik mit Zerodur eine besondere Glaskeramik, deren Ausdehnungskoeffizient nahezu Null ist. Dies prädestiniert den Werkstoff für Anwendungen, bei denen höchste Präzision gefordert ist – sei es in der Astronomie, der IC-Lithographie, der Halbleiterindustrie, in der Messtechnik oder der Flat-Panel-Display-Herstellung. Aktuelles Highlight ist der Auftrag der Europäischen Südsternwarte (ESO) für das Extremely Large Telescope (ELT)-Projekt, für das Schott neben mehreren monolithischen Spiegeln auch Zerodur-Segmente füreinen aus 798 Hexagonen bestehenden Primärspiegel liefern wird.

Normalerweise dehnen sich alle Stoffe bei Wärme aus und schrumpfen bei Kälte. Bei der Zerodur-Glaskeramik ist das nicht der Fall: Temperaturschwankungen machen ihr kaum etwas aus, sie bleibt in hohem Maße formstabil. „Das Geheimnis liegt in der ausbalancierten Mischung von 30 bis 50 Nanometer kleinen Kristalliten, die in einer Glasmatrix aus Lithium-, Aluminium- und Siliziumoxiden eingebettet sind“, erklärt Dr. Thomas Westerhoff, Director Strategic Marketing Zerodur bei Schott Advanced Optics. Das Material sei zudem isotroph, homogen und hervorragend polierbar.

Starker Fokus auf Astroprojekte

In ihrem Hauptanwendungsgebiet, der Astronomie, wird die Glaskeramik seit Anfang der 1970er Jahre als Substratmaterial für Teleskopspiegel eingesetzt. Im Auftrag des Max-Plank-Instituts für Astronomie (MPIA) fertigte Schott 1968 erstmalig ein Spiegelsubstrat mit fast 4 Metern Durchmesser. Heute bestehen die Hauptkomponenten nahezu aller bedeutenden Spiegelteleskope weltweit aus Glaskeramik aus dem Hause Schott. Zum Beispiel die Primärspiegel des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (mit einem Durchmesser von über acht Metern), die segmentierten Hauptspiegel des Gran Telescopio Canarias (GTC) auf La Palma und die der beiden 10-Meter-Keck-Teleskope auf Hawaii. Zudem das Big Bear Solar-Teleskop in Kalifornien, das GREGOT Sonnenteleskop auf Teneriffa, das 4-Meter große DKIST Sonnenteleskop auf dem Vulkan Heleakal/ Hawaii sowie die fliegende Sternwarte SOFIA, die sich an Bord eines Jumbo-Jets befindet.

In Luft- und Raumfahrt ist das Material besonders gefragt, da es sich sehr gut schleifen lässt. Durch den Abtrag des Materials auf den Rückseiten der Spiegelträger in eine Wabenstruktur gelingt es Schott eigenen Angaben zufolge, superleichte aber dennoch extrem stabile Spiegel herzustellen. Mit Ätzen können sogar millimeterdünne Strukturen hergestellt werden, die filigrane Satellitenoptiken ermöglichen.

Werkstoff für High-Tech-Anwendungen

Die Glaskeramik Zerodur eignet sich jedoch nicht nur für den Blick ins All, sondern auch für kommerzielle High-Tech-Applikationen mit hohen Präzisionsanforderungen etwa im Bereich Messtechnik, Luftfahrt sowie Halbleiter- und FPD-Technologie. In Messgeräten wird der Werkstoff beispielsweise als Substrat für Messnormale eingesetzt. In Ringlaser-Gyroskopen hilft er als Trägerstruktur für den Laser bei der Navigation von Flugzeugen und U-Booten. Bei der IC-Lithographie ermöglicht er die exakte Positionierung der Wafer und wird außerdem in der FPD-Herstellung als Spiegeloptikmaterial für die präzise Lichtführung angewendet.

Aktuell investiert Schott einen mittleren zweistelligen Millionen-Euro-Betrag in sein Glaskeramik-Kompetenzzentrum in Mainz. Mit neuen Schmelzkapazitäten und Nachbearbeitungsmöglichkeiten für vielfältige technische Anwendungen ist das Unternehmen damit für die Zukunft bestens aufgestellt. (ig)

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