[发明专利]玻璃陶瓷和温度补偿部件

说明书

本发明涉及玻璃陶瓷和一种使用该玻璃陶瓷的温度补偿器件，可以用于许多领域，例如，信息通讯领域、能量相关领域、电子领域等。特别在光通讯领域，它们可以用作包括光纤的器件的一部分，例如，光纤光栅、连接器等，并具有负热膨胀系数，可以为所述器件提供温度补偿。

近来，光纤通常用于光通讯等领域。在光纤本身的特性方面，要求光纤相关器件不会受温度的不利影响。

例如，光纤连接器用作光传输器件或光测量设备的输入/输出的终端，或者在光传输通路中使多个光缆相互连接的连接器。这种具有固定、连接或保护光纤目的的这种器件要求在由于器件根据温度变化的膨胀或收缩产生的应变下不会对光纤产生不利影响，例如，具有一种有所希望的热膨胀系数的材料组合的结构，或者类似的结构。

纤维光栅的应用已经延伸到波段多路传输(wavelength divisionmultiplexing)系统中，例如，作为进行色散补偿、半导体激光的波长稳定化等的器件，其使用窄的波段选择性。然而，已知纤维光栅具有反射光中心波长的温度依赖性，因为芯体部分的有效折射率随温度而变化。所以，还要求纤维光栅尽可能降低温度变化的不良影响。

对于各种设备、装置等，不仅在光纤相关领域内使用，而且在能量相关领域、信息相关领域等领域中使用，为了防止由于温度差引起的应变或内应力，需要可以把设备、装置等中包含的器件或精确元件的热膨胀系数调节到适当值的材料，它可以保证获得良好的尺寸精度、良好的尺寸稳定性、高强度、良好的热稳定性等。

通常，作为适用于在上述温度变化方面的各种类型器件的材料，已经使用了陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃、金属等，因为它们具有高耐热性、小的热膨胀系数值等。

然而，这些材料具有正热膨胀系数，即随温度升高的体积膨胀特性。对与具有正热膨胀系数的材料一起使用的器件所用的许多其它材料也具有正热膨胀系数。所以，这些材料对于防止整个器件的温度变化的不良影响，未必是最佳的材料。因此，需要具有负热膨胀系数的材料，即具有随温度升高体积收缩的特性，将其作为抵抗温度变化的材料，来抵消正热膨胀系数。

作为具有负热膨胀系数的材料，无机物，如β-锂霞石晶体、包含β-锂霞石晶体的Li₂O-Al₂O₃-SiO₂系统陶瓷、Li₂O-Al₂O₃-SiO₂系统玻璃陶瓷、ZnO-Al₂O₃-SiO₂系统玻璃陶瓷、钛酸铅、钛酸铪、钨酸锆、钨酸钽等是已知的。

USP.6,087,280提出了一种无热光学器件和生产该器件的方法。该器件包括一个负热膨胀的基板和安装在基板表面上的光学纤维并具有一个光栅。在光纤反射光栅器件中，虽然在不连接到基板上时，光栅中心波长的变化约为1.9纳米，但是在连接到基板上时，却只有0.2纳米。所述负热膨胀基板包含一种含有β-锂霞石晶体的玻璃陶瓷，其中，所述基板的热膨胀系数在-40-85℃温度范围内为-20×10^-7/℃--100×10^-7/℃，热膨胀系数的滞后被限制在不大于20ppm。

然而，由于其负热膨胀系数，在该技术中所用的玻璃陶瓷包含许多微裂纹，形成微裂纹的晶体尺寸具有大于5微米的直径。存在这种材料不能获得足够的机械强度并且在处理过程中容易渗透化学药剂的问题。具有正热膨胀系数的化学药剂的渗透抵消了所述陶瓷本征的负热膨胀性能。因此，根本不可能获得理想的热膨胀系数。

其晶相包括Al₂TiO₅。一般知道，因为Al₂TiO₅具有大的各向异性膨胀，烧结体的热膨胀是高度各向异性的，所以，重复测量的结果一般不能相互一致，因为存在微裂纹，难以使得强度较大。还有另外一个问题，即这种材料使得生产成本高，因为为了使玻璃结晶化，要求在不低于1,300℃下热处理3小时或更长的时间，以获得足够的负热膨胀系数。

USP.4,209,229提出了一种包含β-锂霞石晶体或β-石英固溶体主晶相的玻璃陶瓷，该文献说明，所述材料特别用于熔融二氧化硅的保护外层，或者用于另一种光纤波导元件的覆盖层。