石英玻璃

石英玻璃 一，石英玻璃基本概述 1.1简介，1.2定义，1.3化学性质，1.4纯度 二，石英玻璃的特性

2.1失透性，2.2化学性能，2.3透气性，2.4电学性能，2.5光学性能，2.6热学性能，2.7机械性能 三，石英玻璃的应用 3.1新型光源方面，3.2半导体方面，3.4在新技术领域中 3.5在化工方面3.6在高温作业方面3.7在电工方面3.8在科研方面

四，石英玻璃制备方法 4.1. 电熔法4.2. 气炼法4.3. SiCl4蒸汽水解法4.4. 高频感应等离子炬熔融法4.5. 凝胶法

五，石英玻璃新品种 5.1. 高纯石英玻璃5.2石英纤维和石英棉5.3低膨胀石英玻璃5.4吸收紫外线石英玻璃5.5荧光石英玻璃 5.6石英陶瓷5.7乳白石英玻璃

六，石英玻璃使用须知及粘接方法 6.1使用须知6.2粘接方法 七，客户讨论等 一，石英玻璃基本概述 1.简介：石英玻璃是二氧化硅单一成分的非晶态材料，其微观结构是一种由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单纯网络，由于Si-O化学键能很大，结构很紧密，所以石英玻璃具有独特的性能，尤其透明石英玻璃的光学性能非常优异，在紫外到红外辐射的连续波长范围都有优良的透射比。

2.定义：石英玻璃是由纯净的天然水晶、石英石（包括脉石英、石英砂）或人工合成原料经熔化而制得。自然界中的石英，从地壳表面往下十六公里，几乎有65％，普通形状为细小的无规则颗粒。石英玻璃是一种只含二氧化硅单一成份的特种玻璃。由于种类、工艺、原料的不同，国外常常叫做硅酸玻璃、石英玻璃、熔融石英、熔凝石英、合成熔融石英，以及没有明确概念的透明、半透明、不透明石英等。在我国统称石英玻璃，多按工艺方法、用途及外观来分类，人们习惯于用“石英”这样一个简单的词汇来命名这种材料，这是绝对不妥的，因为“石英”是二氧化硅结晶态的一种通称，它与玻璃态二氧化硅在理化性质上是有区别的。

3.化学性质：石英玻璃具有极低的热膨胀系数，高的耐温性，极好的化学稳定性，优良的电绝缘性，低而稳定的超声延迟性能，最佳的透紫外光谱性能以及透可见光及近红外光谱性能，并有着高于普通玻璃的机械性能。

4.纯度：纯度是石英玻璃的重要指标，对理化性能和使用性能影响甚大，如失透性、高温强度、软化点、光的传导、热稳定性、化学稳定性、耐辐射性、荧光特性等；此外，用于半导体工业的石英玻璃，对纯度的要求更为苛刻，微量的杂质将给半导体材料的电性能和寿命以及集成度带来严重的影响。由于半导体材料的纯度要求控制在ppb（单独拿出来，不能说是单位，就象％一样，不是单位PPb是10的－9次方）数量级以下，因此石英玻璃则应控制在PPm（PPm 是10的－6次方）数量级以适应半导体工业的需要。B的分凝系数近于1,最难除掉，是最有害的杂质之一，Cu、Fe、Ti等影响半导体的少子寿命，K、Na、Li是单晶材料产生微缺陷的有害杂质。

二，石英玻璃的特性

2.1失透性：失透（又叫析晶性）是石英玻璃的一个固有缺陷，从热力学观点看，石英玻璃的内能高于结晶态方石英，属热力学上不稳定的亚稳态，当温度高于1000℃时，SiO2分子振动加速，经一段较长时间的重新排列、定向便形成结晶。失透性是以晶核成长速度来表示的，不透明石英玻璃在1520℃、透明石英玻璃在1620℃析晶速度分别达到最大值。析晶（析晶，是当物体在处于非平衡态时，会析出另外的相，该相以晶体的形式被析出。这种现象广泛存在于自然界中。比如说过饱和溶液析出的溶质晶体，某些掺杂金属热处理中析出的小颗粒）主要出现在表面，其次是内部缺陷处，原因是这些地方容易沾污，引起杂质离子的局部集聚，特别是碱离子（如K、Na、Li、Ca、Mg等）进入网络后引起粘度降低，促使失透加速。

由于石英玻璃的热膨胀系数和比重同析晶产物β-方石英相近，所以在高温下连续使用时，尽管析晶区不断扩大，但体积变化并不明显，仍可满意地继续使用，此时尚可减轻玻璃的塑性变形，使耐火度提高。当析晶产物冷却到800℃时，则出现细小的龟裂网络。继续冷却到200-275℃时，则出现方石英从高温型到低温型（即β-方石英→a-方石英）的结构变化，并伴随着发生体积聚变，如果析晶层很深，则石英玻璃亦随之破裂。由于析晶常常出现在有杂质的地方，所以高温使用前的表面状态及周围耐火材料、气氛十分重要。

2.2化学性能：石英玻璃属酸性材料，除氢氟酸和热磷酸外，对其它任何酸均表现为惰性，是最好的耐酸材料。在常温下碱和盐对石英玻璃的腐蚀程度也是极微的，因此不排除在这些试剂中使用石英玻璃。透明石英玻璃比不透明石英玻璃具有更好的化学稳定性，这是因为后者由于气泡的存在暴露在腐蚀液中的表面积增加所致。石英玻璃不吸湿，不风化。石英玻璃对所有碱和碱土化合物都非常敏感，这些化合物极轻微的痕量也会促使石英玻璃在高温下产生析晶。 2.3透气性：石英玻璃的结构十分松弛，甚至在高温下还允许某些气体的离子通过网络进行扩散，其中以钠离子的扩散为最快。石英玻璃的这一性能对于使用者尤为重要，例如，半导体工业用石英玻璃作为高温容器或扩散管时，由于半导体材料要求很高的纯度，所以要求与石英玻璃接触的作为炉衬的耐火材料必须预先经过高温和清洁处理，除掉钾、钠等碱性杂质，然后才能放入石英玻璃内使用。在常温下，可以认为石英玻璃是不透气的，在高温（例如700℃）下，某些气体的透气常数也很小。因此可以用在高温高真空装备中。

2.4电学性能：石英玻璃具有很高的介电强度和极低的导电率，即是在高温、高压和高频下，仍能保持很高的介电强度和电阻，在所应用的频带内几乎没有介电损耗，因此石英玻璃是优良的高温介电绝缘材料。在常温下，它的电阻相当于普通玻璃的10倍，对全部频率的介电损失很微小，绝缘耐压强度大

2.5光学性能：石英玻璃的光学性能有其独到之处，它既可以透过远紫外光谱，是所有透紫外材料最优者，又可透过可见光和近红外光谱。由于石英玻璃耐高温，热膨胀系数极小，化学热稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射又可与一般光学玻璃媲美，所以它是在各种恶劣场合下工作具有高稳定度光学系统的必不可少的光学材料。

石英玻璃的结构，杂质含量，OH（氢氧根）基因及NO（氮氧化合物）、CO（一氧化碳—）等含量是影响光谱透过率的主要因素，氧原子结合不良在0.24μ（渺子符号）处则有吸收峰，含有OH基团的石英玻璃，在2.7μ处由于分子振动将产生明显的吸收峰，紫外透过率低主要是由于金属杂质多造成原子吸收光谱所致。

电熔石英玻璃是很好的透红外材料，但由于杂质的存在，紫外透过率低。氢氧焰熔制水晶所获得的石英玻璃，由于氧结构缺陷，在0.24μ处有吸收峰，同时含有OH基团，所以红外透过极低。用合成原料气炼的高纯光学石英玻璃是最好的透紫外材料，但在2.7μ处有严重的OH吸收峰。只有用合成原料通过电熔或无氢火焰熔融而成的光学石英玻璃，才能很好地透过从远紫外到近红外的连续光谱。

2.6热学性能：石英玻璃的热膨胀系数小，为5.5×10-7/℃，只有普通玻璃的1/12～1/20.部标准规定将试样灼烧到1200℃后急速投到冷水中，反复三次以上不允许炸裂。石英玻璃加入适量钛元素后还可做成零膨胀系数的材料，在激光技术、天文和尖端技术中已得到应用。

2.7机械性能：石英玻璃由单组元硅氧四面体组成网络骨架，硅氧键键强很大，结构紧密，机械强度很高，为普通玻璃的2～3倍；它的机械性能比硬质玻璃和陶瓷都好，唯脆性较差。石英玻璃的理论计算强度很高，约为24×103MPa，但实际测得的强度要比这个数值低数十倍。影响强度的主要因素首先是玻璃的表面缺陷，特别是表面微裂纹的大小及深度影响最为明显，细磨的石英玻璃试样比粗磨的试样，其抗折强度约增加0.6倍；其次是内在缺陷，例如，气泡、杂质、熔化不均以及残余应力等。石英玻璃的强度随着温度的升高而增加，接近退火温度时达到最大值。石英玻璃的剪切模量、杨氏模量、阻尼、泊松比、破坏模量一般均随着温度的升高而增加，硬度则随着温度的升高而降低。

三，石英玻璃的应用 石英玻璃主要用于电光源，半导体，光学新技术，化工、冶金、电工、科研等方面： 3.1新型光源方面：做高压水银灯、长弧氙灯、碘钨灯、碘化铊灯、红外线灯和杀菌灯等。

3.2半导体方面：是半导体材料和器件生产过程中不可缺少的材料，如生长锗，硅单晶的坩埚、舟皿炉芯管和钟罩等。

3.4在光学新技术领域中：用其声、光、电学的极佳特性、做雷达上的超声延迟线，红外跟踪测向，红外照像、通讯、摄谱仪、分光光度计的棱镜，透镜、大型天文望远镜的反射窗，高温作业窗、反应堆、放射性装置；火箭，导弹的鼻锥体，喷嘴和天线罩：人造卫星的无线电绝缘零件，辐射；热天秤，真空吸附装置，精密铸造等。

3.5在化工方面：可做高温耐酸性气体的燃烧、冷却和通风装置，酸性溶液的蒸发，冷却吸物收，贮存装置，蒸馏水，盐酸、硝酸、硫酸等的制备和其它物理化学实验用品。

3.6在高温作业方面：可做光学玻璃的，坩埚烧成萤光体客气，电炉炉芯管，气体燃烧辐射体，热电偶保护管等。

3.7在电工方面：可做高压高频绝缘管，引波管等。 3.8在科研方面：石英玻璃和石英玻璃棉可作火箭的喷咀，宇宙飞船防热罩和观察窗等。 四，石英玻璃制备方法： 4.1. 电熔法：石英原料在真空（5×10－2mmHg）或低压惰性（N2）介质中电熔。 4.2. 气炼法：采用氢氧焰或其它碳氢化物（乙炔）可燃气体产生高热来熔化物料。 4.3. SiCl4蒸汽水解法：将四氯化硅蒸汽由氢气携带通入氢氧喷灯火焰中，生成二氧化硅及氯化氢，氯化氢气体随烟气逸出，而二氧化硅则沉积。

4.4. 高频感应等离子炬熔融法：由高频电磁场的感应耦合作用而产生等离子体灯炬，内核温度高达15000K，熔化物料。

4.5. 凝胶法：将多孔（50～80 Å ）凝胶成形后在250℃下真空处理，排出H2O，通过热处理排除有机物，1000℃下加热消除气孔，形成石英玻璃。

五，石英玻璃新品种 5.1. 高纯石英玻璃：SiO2六个九～七个九，二氧化硅含量高低分为高纯石英玻璃原料和普通石英玻璃原料,高纯石英玻璃生产的传统原料是天然水晶,天然水晶中SiO2含量很高,但世界上蕴藏真正透明的、SiO2含量高的水晶是异常稀少的，用于光谱仪、分光光度计、荧光计零件；高纯石英玻璃可制光导纤维

5.2石英纤维和石英棉：石英玻璃纤维能长期在1050℃使用，短期可在1200℃作为烧蚀防护材料使用，还有着卓越的电绝缘性，它的介电常数和介质损耗系数是所有矿物纤维中最好