ZERODUR® Glaskeramik mit niedriger thermischer Ausdehnung
ZERODUR® Glaskeramik ist seit über 50 Jahren eines der einzigartigsten und außergewöhnlichsten Produkte von SCHOTT. Mit seiner extrem geringen Wärmeausdehnung ist es für eine Vielzahl anspruchsvoller Hightech-Anwendungen, die außergewöhnliche Präzision erfordern, unverzichtbar.
Ein Fenster zu fernen Galaxien
Die Zukunft der Gravitationswellenastronomie gestalten
ZERODUR® besser verstehen
Höchste Genauigkeit unter extremen Bedingungen
Beeindruckende Zerspanbarkeit von klein bis groß
Geringe Wärmeausdehnung auch in rauen Umgebungen
Die anorganische, porenfreie Lithium-Aluminium-Silizium-Oxid-Glaskeramik ZERODUR® zeichnet sich durch eine extrem geringe Wärmeausdehnung aus, die über das gesamte Volumen homogen ist. Zudem besitzt sie eine sehr geringe Anzahl von Unvollkommenheiten, eine hohe Festigkeit im Vergleich zu anderen Glaskeramiken und ist transparent für sichtbares Licht. Glatte Oberflächen mit einer Rauheit im sub-nm-Bereich sind ebenfalls realisierbar.
Technische Daten für ZERODUR®
Die einzigartigen technischen Eigenschaften der ZERODUR® Glaskeramik machen sie seit Jahrzehnten ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, die auf Materialien mit außergewöhnlich niedriger Wärmeausdehnung angewiesen sind. Auch in der Astronomie ist sie heute der Industriestandard für ultragenaue Spiegelsubstrate.
CTE-Toleranzen von ZERODUR®
Standardmäßig wird der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von ZERODUR® im Temperaturbereich von 0 °C bis 50 °C gemessen. Fünf Ausdehnungsklassen werden wie folgt unterschieden:
| CTE-Typen | CTE (0 °C; 50 °C)* |
|---|---|
| ZERODUR® Ausdehnungsklasse 2 | 0 ± 0,100 ・ 10-6/K |
| ZERODUR® Ausdehnungsklasse 1 | 0 ± 0,050 ・ 10-6/K |
| ZERODUR® Ausdehnungsklasse 0 | 0 ± 0,020 ・ 10-6/K |
| ZERODUR® Ausdehnungsklasse 0 SPECIAL | 0 ± 0,010 ・ 10-6/K |
| ZERODUR® Ausdehnungsklasse 0 EXTREME | 0 ± 0,007 ・ 10-6/K |
| ZERODUR® TAILORED |
TAILORED ± 0,020・10-6/K |
Maximale Verarbeitungstemperatur 600 °C.
Auf Anfrage ist ZERODUR® für kundenspezifische Temperaturbereiche erhältlich.
Wir bieten Ausdehnungsklasse 0 oder besser, optimiert für Ihre individuelle Anwendung.
CTE-Homogenität
Die Homogenität wird bewertet, indem CTE-Proben homogen über den Rohling verteilt gemessen und die Differenz in CTE zwischen dem höchsten und niedrigsten gemessenen Wert berechnet wird.
Die Homogenität der linearen Ausdehnung kann in folgenden Gewichtsklassen garantiert werden:
CTE (0 °C; 50 °C) Homogenitätstoleranzen
- bis zu 18 Tonnen: < 0,03 ・ 10-6/K
- bis 6 Tonnen: < 0,02 ・ 10-6/K
- bis zu 0,3 Tonnen: < 0,01 ・ 10-6/K
CTE-Verteilung innerhalb eines Rohlings mit 1,5 m Durchmesser bei einer gemessenen CTE-Homogenität von 0,004 · 10-6/K
CTE-Toleranzen von ZERODUR® K20
ZERODUR® K20, eine Hochtemperaturversion von ZERODUR®, wurde optimiert, um höheren Anwendungstemperaturen standzuhalten.
Mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizient von ZERODUR® K20
- CTE (20 °C; 700 °C): 2,4 ・ 10- 6/K
- CTE (20 C; 300 C): 2,2・10-6/K
- CTE (0 C; 50 C): 1,6 ・ 10-6/K
Maximale Verarbeitungstemperatur 850 °C.
Wird bei Auftragseingang keine Qualität angegeben, so wird ZERODUR® in Standardqualität geliefert. Individuelle Vorgaben zur internen Qualität können auf Anfrage erfüllt werden.
Einschlüsse
Obwohl der Defektanteil niedrig ist, sind die Haupteinschlüsse in ZERODUR® Blasen. Bei der Inspektion von ZERODUR® Teilen werden alle Einschlüsse mit einem Durchmesser > 0,3 mm berücksichtigt. Wenn ein Einschluss eine andere Form als eine Kugel hat, wird der durchschnittliche Durchmesser als Mittelwert aus Länge und Breite angegeben. ZERODUR® ist in sechs verschiedenen Einschlussqualitätsstufen erhältlich, die je nach Abmessung Ihres Teils definiert werden.
Qualitätsstufen für Einschlüsse in ZERODUR®
Durchschnittliche Anzahl der Einschlüsse pro 100 cm3:
| Standard | 5,0 |
|---|---|
| Klasse 4 | 5,0 |
| Klasse 3 | 4,0 |
| Klasse 2 | 3,0 |
| Klasse 1 |
2,0 |
| Klasse 0 |
1,0 |
Maximaler Durchmesser einzelner Einschlüsse in mm für unterschiedliche Durchmesser oder Diagonalen des ZERODUR® Teils:
| Im kritischen Volumen | < 500 mm | < 2000 mm | < 4000 mm |
|---|---|---|---|
| Standard | 1,4 | 2,0 | 3,0 |
| Klasse 4 | 1,2 | 1,8 | 2,5 |
| Klasse 3 | 1,0 | 1,6 | 2,0 |
| Klasse 2 | 0,8 | 1,5 | 1,8 |
| Klasse 1 | 0,6 | 1,2 | 1,6 |
| Klasse 0 | 0,4 | 1,0 | 1,5 |
| Im unkritischen Volumen |
< 500 mm | < 2000 mm | < 4000 mm |
|---|---|---|---|
| Standard | 3,0 | 6,0 | 10,0 |
| Klasse 4 | 2,0 | 5,0 | 8,0 |
| Klasse 3 | 1,5 | 4,0 | 6,0 |
| Klasse 2 | 1,0 | 3,0 | 6,0 |
| Klasse 1 | 0,8 | 3,0 | 6,0 |
| Klasse 0 | 0,6 | 3,0 | 6,0 |
Individuelle Spezifikationen auf Anfrage.
Volumenspannung
Die Volumenspannungsdoppelbrechung von ZERODUR® wird in der Wegdifferenz pro Dicke in Inspektionsrichtung aufgezeichnet. Bei Scheiben wird sie in axialer Richtung bei 5 % des Durchmessers von der Kante gemessen. Bei rechteckigen Platten erfolgt die Messung in der Mitte der längeren Seite senkrecht zur Plattenoberfläche.
Qualitätsstufen für Volumenspannung in ZERODUR®
Volumenspannungsdoppelbrechung [nm/cm] für Teile mit Durchmessern oder Diagonalen:
| < 500 mm | < 2000 mm | < 4000 mm | |
|---|---|---|---|
| Standard | 6 | 12 | 15 |
| Klasse 4 | 4 | 10 | 12 |
Striae
Zusätzlich zur Volumenspannungsdoppelbrechung wird die durch lokale Schlieren induzierte Spannungsdoppelbrechung in Abhängigkeit vom Teiledurchmesser klassifiziert.
Spannungsdoppelbrechung durch Striae [nm/striae] bei Teilen mit Durchmessern oder Diagonalen:
| < 500 mm | < 2000 mm | < 4000 mm | |
|---|---|---|---|
| Standard | 60 | 60 | 60 |
| Klasse 4 | 45 | 45 | 45 |
| Klasse 3 | 30 | 30 | 30 |
| Klasse 2 | 5 | 30 | 30 |
| Klasse 1 | - | 5 | 30 |
ZERODUR® wird auf Basis von technischen Zeichnungen und Spezifikationen unserer Kunden zu komplexen Geometrien verarbeitet. Unsere Anwendungs- und Verfahrenstechniker unterstützen Sie in der Konstruktionsphase Ihres Produkts, um die Eigenschaften von ZERODUR® optimal für Ihre individuelle Anwendung zu nutzen. Auf Wunsch stellen wir auch Finite-Elemente-Modellierungen und spezielle Qualitätsanforderungen zur Verfügung.
5-Achs-CNC-Schleifmaschinen ermöglichen die präzise Fertigung von ZERODUR® Teilen bis 4,25 m Durchmesser. Das Highlight der ZERODUR® Verarbeitung ist die Leichtgewichtung durch Schleifen anspruchsvoller Verhältnisse von Taschenhöhen zu Rippendicken, die für Teile mit strikten Gewichtsanforderungen verwendet werden.
Durch einseitiges und doppelseitiges Polieren bieten wir verschiedene Oberflächengüten für Abmessungen bis 500 mm an. Je nach Größe Ihres Teils kann eine Rauheit bis in den Subnanometerbereich erreicht werden.
Da ZERODUR® als sehr gutes Substrat zur Beschichtung dient, sind verschiedene Arten von Standard-Aluminium bis hin zu komplexen kundenspezifischen Beschichtungen für Teile kleiner als 300 mm erhältlich. Unsere Beschichtungsexperten unterstützen Sie gerne bei der Auswahl der Beschichtungsdesigns, die Ihren Anforderungen am besten entspricht.
Vorgeschlagene CNC-Schleiftoleranzen für Abmessungen und Formen
| Abmessung < 2000 mm | Toleranzen [mm] | Engere Toleranzen [mm]* |
|---|---|---|
| Länge, Breite, Höhe |
± 0,3 | ± 0,1 |
| Durchmesser | ± 0,3 | ± 0,1 |
| Winkel | ± 5’ | ± 1’ |
| Ebenheit ** | 0,1 – 0,2 | 0,1 |
| Zylindrizität ** | 0,1 | 0,1 |
| Profil ** | 0,2 | 0,1 |
| Parallelität ** | 0,1 – 0,2 | 0,1 |
| Position ** | 0,1 | 0,1 |
| Konzentrizität ** | 0,1 | 0,1 |
| Auslauf ** | 0,1 | 0,1 |
** gemäß ISO 1101
| Abmessung ≤ 4000 mm |
Toleranzen [mm] |
Engere Toleranzen [mm]* |
|---|---|---|
| Länge, Breite, Höhe | ± 0,4 |
± 0,2 |
| Durchmesser | ± 0,4 | ± 0,2 |
| Winkel | ± 5’ | ± 1’ |
| Ebenheit ** | 0,2 | 0,1 |
| Zylindrizität ** | 0,2 | 0,1 |
| Profil ** | 0,4 | 0,2 |
| Parallelität ** | 0,2 | 0,1 |
| Position ** | 0,2 | 0,1 |
| Konzentrizität ** | 0,2 | 0,1 |
| Auslauf ** | 0,2 | 0,1 |
** gemäß ISO 1101
Biegespannung und Lebensdauerberechnung
ZERODUR® ist das Material der Wahl, wenn es um hervorragende thermische Eigenschaften und Präzision in Hightech-Anwendungen geht. Oft müssen diese Anwendungen auch bestimmten mechanischen Belastungen standhalten, wie z.B. dauerhaft bei Teleskopspiegelhaltern oder kurzzeitig beim Raketenstart.
Der Schlüsselfaktor, der zur Quantifizierung der Bruchbelastung von ZERODUR® bewertet werden muss, ist die Oberflächenqualität, insbesondere das Auftreten von Mikrorissen. Generell erfordert die Belastung unter 10 MPa Zugspannung keine spezielle Bruchanalyse von ZERODUR®.
Die umfangreichen Daten von SCHOTT zu den Bruchereignissen von geschliffenen ZERODUR® Proben haben gezeigt, dass sie langfristigen (jahrzehntelangen) mechanischen Belastungen von 30 bis 100 MPa standhalten können. Dies ist viel höher als vorhergesagt. Anhand einer Weibull-Verteilung mit drei Parametern besprechen wir gerne die ZERODUR® Lebensdauer unter Ihren individuellen mechanischen Langzeitbelastungen.
Typische mechanische und optische Eigenschaften
| ZERODUR® | ZERODUR® K20 | |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit λ bei 20 °C [W/(m・K)] | 1,46 | 1,63 |
| Index der Temperaturleitfähigkeit a bei 20 °C [10-6m2/s] | 0,72 | - |
| Wärmekapazität cp bei 20 °C [J/(g · K)] | 0,80 | 0,90 |
| Elastizitätsmodul E bei 20 °C [GPa] – Mittelwert | 90,3 | 84,7 |
| Poisson-Zahl | 0,24 | 0,25 |
| Dichte ρ [g/cm3] | 2,53 | 2,53 |
| Knoop-Härte HK 0,1/20 (ISO9385) | 620 | 620 |
| Brechungsindex nd | 1,5424 | - |
| Abbe-Nummer νd | 56,1 | - |
| Interne Durchlässigkeit Ti bei 580 nm / 5 mm Dicke | 0,95 | - |
| Interne Durchlässigkeit Ti bei 580 nm / 10 mm Dicke | 0,9 | - |
| Spannungsoptischer Koeffizient K bei λ = 589,3 nm [10-6MPa-1] | 3 | - |
| Elektrischer Widerstand ρ bei 20 °C [Ω · cm] | 2,6 · 1013 | - |
| Tk100 [°C], Temperatur für ρ = 108 [Ω · cm] | 178 | - |
Bei Raumtemperatur hinterlassen die meisten Säuren, Laugen, Salze und Farblösungen keine Rückstände auf ZERODUR® Oberflächen. Es kann sowohl mit Flusssäure als auch mit konzentrierter Schwefelsäure bei erhöhten Temperaturen geätzt werden. Darüber hinaus reagieren Baustoffe wie Glimmer, Chamotte, MgO und SiO2 nicht merklich mit ZERODUR® (bis 600 °C für 5 h). Im Gegensatz dazu reagiert Emaille bei Temperaturen über 560 °C, indem die Oberfläche zerstört wird.
Aufgrund der guten chemischen Beständigkeit des Materials lassen sich Beschichtungen wie z. B. Spiegelflächen reproduzierbar entfernen. Die polierte Oberfläche wird einfach gereinigt und mit einem optimierten Protokoll neu beschichtet.
Typische chemische Eigenschaften
| ZERODUR® | ZERODUR® K20 | |
|---|---|---|
| Hydrolytische Beständigkeitsklasse (ISO 719) | HGB 1 | - |
| Säurebeständigkeitsklasse (ISO 8424) | 1,0 |
- |
| Alkalibeständigkeitsklasse (ISO 10629) | 1,0 | - |
| Klimabeständigkeit | Klasse 1 | - |
| Fleckenresistenz | Klasse 0 | - |
| Heliumdurchlässigkeit [Atome/(cm · s · bar)] bei 20 °C | 1,6 · 106 | - |
| Heliumdurchlässigkeit [Atome/(cm · s · bar)] bei 100 °C | 5,0 · 107 | - |
| Heliumdurchlässigkeit [Atome/(cm · s · bar)] bei 200 °C | 7,2 · 108 | - |
FAQs
ZERODUR® kombiniert eine nahezu null thermische Ausdehnung mit außergewöhnlicher Homogenität. Das ermöglicht höchste Formstabilität und reproduzierbare Leistung auch unter wechselnden Temperaturbedingungen.
In Präzisionsanwendungen können bereits kleinste thermisch bedingte Verformungen die Systemleistung beeinflussen. Mit seiner nahezu null thermischen Ausdehnung hilft ZERODUR®, die erforderliche Form- und Positionsstabilität auch unter wechselnden Temperaturbedingungen sicherzustellen.
ZERODUR® wird in Weltraumoptiken, astronomischen Teleskopen, Halbleiterlithographie, Metrologiesystemen, Ringlaserkreiseln und anderen hochpräzisen Anwendungen eingesetzt.
Ja. Unterschiedliche Ausdehnungsklassen und maßgeschneiderte Materialvarianten ermöglichen es, ZERODUR® gezielt für spezifische Temperaturbereiche und Leistungsanforderungen zu optimieren.
Ja. Fortschrittliche CNC-Bearbeitung ermöglicht komplexe 3D-Geometrien, leichte Spiegelstrukturen, gebohrte Merkmale und anwendungsspezifische Designs bei gleichzeitig außergewöhnlicher Präzision.
Je nach Ausführung können ZERODUR® Spiegelsubstrate um bis zu 90 % leichter gefertigt werden, wobei die ausgezeichnete Steifigkeit und Dimensionsstabilität erhalten bleibt.
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