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石英玻璃是由單一的二氧化硅組成的玻璃，具有純度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、光譜透過(guò)寬、抗熱沖擊、耐高溫變形、耐宇宙射線和耐輻射、電絕緣等特點(diǎn)，被新材料領(lǐng)域?qū)＜易u(yù)為“玻璃之王”，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)、光學(xué)、光伏、半導(dǎo)體等國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和航空航天等國(guó)防領(lǐng)域發(fā)展中不可或缺的重要基礎(chǔ)性材料。

石英玻璃中的常見缺陷

石英玻璃的性質(zhì)與其純度密切相關(guān)。在石英玻璃的制備過(guò)程中不可避免的會(huì)引入各種雜質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致石英玻璃中缺陷的產(chǎn)生和性質(zhì)的改變。石英玻璃中常見的缺陷可分為結(jié)構(gòu)缺陷和宏觀缺陷兩大類。

結(jié)構(gòu)缺陷

結(jié)構(gòu)缺陷是指在石英玻璃的原子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中引入雜質(zhì)所導(dǎo)致的缺陷，主要包括羥基和金屬雜質(zhì)等。雜質(zhì)的引入破壞了石英玻璃原有的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，因而導(dǎo)致其各項(xiàng)性質(zhì)發(fā)生改變，其中影響最大的是光學(xué)性質(zhì)。石英玻璃中的金屬雜質(zhì)會(huì)引起紫外光譜的吸收，而羥基會(huì)引起紅外光譜的吸收。此外，羥基的存在還會(huì)降低石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐熱性和光學(xué)均勻性等。在半導(dǎo)體工業(yè)中，石英玻璃中的金屬雜質(zhì)超標(biāo)會(huì)直接影響到產(chǎn)品的電特性。光學(xué)不均勻性也屬于石英玻璃的結(jié)構(gòu)缺陷，該缺陷往往由石英玻璃的制備工藝造成，且對(duì)其光學(xué)應(yīng)用有著重要影響。堿金屬雜質(zhì)和羥基的存在還會(huì)促使石英玻璃在高溫環(huán)境下發(fā)生析晶。

宏觀缺陷

石英玻璃中的宏觀缺陷通常是由原料不純或制備工藝不當(dāng)引起的，常見的宏觀缺陷包括氣泡、包裹物、條紋以及熱應(yīng)力導(dǎo)致的開裂等。熔融石英的粘度非常大，因此氣泡在其中很難被去除。氣泡的產(chǎn)生主要與石英玻璃的熔制過(guò)程有關(guān)，不當(dāng)?shù)娜壑品绞綍?huì)導(dǎo)致內(nèi)部未熔化的石英原料被外表面的熔融石英所包裹，從而阻礙了氣泡的逸出。石英玻璃的熱應(yīng)力出現(xiàn)在冷卻過(guò)程中，是由玻璃不同部位的溫差引起的。熱應(yīng)力不均勻會(huì)導(dǎo)致石英玻璃的光學(xué)不均勻性增加，熱應(yīng)力過(guò)高時(shí)甚至?xí)?dǎo)致石英玻璃的開裂。與結(jié)構(gòu)缺陷不同，宏觀缺陷的產(chǎn)生往往意味著石英玻璃產(chǎn)品的報(bào)廢，因此在實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)制備工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

如何提升石英玻璃性能

提升原材料處理工藝

天然原材料內(nèi)部會(huì)有不同含量的雜質(zhì)，如今工業(yè)生產(chǎn)中就是將石英礦提純。我國(guó)含二氧化硅的偉晶巖礦量較多，但是礦產(chǎn)比較分散，規(guī)模小，且礦內(nèi)的雜質(zhì)多，品質(zhì)不穩(wěn)定，這些都增大了石英砂的提純技術(shù)工藝的難度。從原材料處理方面來(lái)說(shuō)，要研究如何更好地去除石英砂中的包裹體和雜質(zhì)，或選用其他含硅的材料去替代石英砂。

改進(jìn)生產(chǎn)工藝

高純石英砂在高溫熔制過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生氣泡、顆粒、條紋、內(nèi)應(yīng)力、羥基等結(jié)構(gòu)缺陷，因此需要通過(guò)后續(xù)的高溫均化、精密退火、脫羥等工藝進(jìn)行改進(jìn)。

高溫均化

高溫均化的過(guò)程是不均體的溶解（如未熔融的石英顆粒和氣泡）和分子離子的擴(kuò)散（如金屬雜質(zhì)離子和羥基）。高溫均化的工藝參數(shù)主要有溫度、壓力、均化時(shí)間等，石英玻璃在合適的溫度和壓力條件下，均化一定的時(shí)間能有效改善材料的結(jié)構(gòu)均勻性與性能穩(wěn)定性。高溫均化可基本消除石英玻璃中10mm以上的大氣泡、50μm以下的小氣泡、尺寸較小的顆粒和條紋，以及使羥基分布更均勻。但高溫均化不能消除石英玻璃中的熱應(yīng)力，需通過(guò)精密退火工藝來(lái)消除。

退火

石英玻璃在熔制和熱加工的冷卻過(guò)程中，內(nèi)外溫差會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)力的存在和不均勻分布會(huì)大大降低石英玻璃的光學(xué)均勻性、機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。精密退火工藝可消除或減小熱應(yīng)力至允許值，改善由溫差變化造成的密度和折射率不均勻現(xiàn)象，進(jìn)而提高熔融石英玻璃各項(xiàng)性能。退火過(guò)程中最主要的因素有：退火溫度、加熱與冷卻速度、保溫時(shí)間，每一步都關(guān)系到石英玻璃內(nèi)部應(yīng)力去除的程度。石英玻璃熱穩(wěn)定性能較好，所以升溫對(duì)其影響不大，最主要的是退火溫度及保溫時(shí)間，這能保證消除石英玻璃中的內(nèi)應(yīng)力，使石英玻璃內(nèi)部的結(jié)構(gòu)趨于一致；而降溫階段的控制是為了防止產(chǎn)生二次應(yīng)力。

脫羥

羥基主要出現(xiàn)在電熔工藝和氫氧焰制備的石英玻璃中，其中電熔工藝制備的石英玻璃中羥基主要是石英粉料中殘留的包裹體所帶的水造成的，電熔石英玻璃的羥基主要來(lái)源于高純石英砂原料中的流體包裹體，該材料中的羥基量少且處于亞穩(wěn)態(tài)，加熱較容易去除。

氫氧焰制備的石英玻璃的羥基主要是氫氧焰帶來(lái)的。氫氣和水極易與二氧化硅中的氧反應(yīng)生成羥基，該材料中的羥基在較高的溫度下才開始減少，因此需在高溫真空的條件下脫羥。

高溫真空脫羥工藝是將石英玻璃置入脫羥爐的密閉加熱室內(nèi)，先抽真空至內(nèi)部壓力達(dá)5×10?1~5×10?4Pa，然后將溫度逐漸升至950~1250℃，在升溫過(guò)程中約400~500℃時(shí)放氣量最大，真空度會(huì)下降，這時(shí)停止加熱，當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，再升溫，保持恒溫焙燒5~20h，同時(shí)繼續(xù)抽真空保持氣壓穩(wěn)定在5×10?1~5×10?4Pa。冷卻后恢復(fù)常壓，取出樣品。另外，石英玻璃的脫羥效果會(huì)受原料純度和制備工藝影響。

總之，在石英玻璃的生產(chǎn)工藝中，可以通過(guò)調(diào)整和穩(wěn)定工藝參數(shù)，保證生產(chǎn)持續(xù)僅需，后續(xù)加工中，通過(guò)退火、火拋、脫羥等熱加工處理工藝可以有效地去除雜質(zhì)、氣體，減少析晶或氣泡雜質(zhì)等缺陷，提高石英制品的質(zhì)量。

原標(biāo)題：把控好這幾點(diǎn)，石英玻璃終成王！