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        【原創(chuàng)】石英玻璃為什么被譽(yù)為“玻璃之王”


        來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   星耀

        [導(dǎo)讀]  石英玻璃是由二氧化硅單一組分構(gòu)成的特種工業(yè)技術(shù)玻璃,具有普通玻璃無(wú)可比擬的一系列優(yōu)異性質(zhì),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)域的重要基礎(chǔ)性材料。

        中國(guó)粉體網(wǎng)訊  石英玻璃是由二氧化硅單一組分構(gòu)成的特種工業(yè)技術(shù)玻璃,具有普通玻璃無(wú)可比擬的一系列優(yōu)異性質(zhì),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)域的重要基礎(chǔ)性材料。


         

        圖片來(lái)源:太平洋石英


        1石英玻璃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)


        純凈的石英玻璃由單一的二氧化硅(SiO2)成分構(gòu)成,石英玻璃中的Si-O鍵呈短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的排列狀態(tài),由于Si-O鍵的鍵能較強(qiáng)且較為穩(wěn)定,因此石英玻璃具有較高的軟化溫度、極佳的光譜透過(guò)性、極低的熱膨脹系數(shù)和電導(dǎo)率、極高的化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻照性以及在極端條件下較長(zhǎng)的工作壽命等特點(diǎn)。

         

        石英玻璃原子結(jié)構(gòu)示意圖


        2石英玻璃的性質(zhì)和應(yīng)用


        (1)光學(xué)性能


        石英玻璃具有一系列優(yōu)異的光學(xué)性能。與普通玻璃相比,高純石英玻璃具有從遠(yuǎn)紫外(160nm)到遠(yuǎn)紅外(5μm)極寬光譜內(nèi)的良好透過(guò)性,這是一般光學(xué)玻璃所不具備的。優(yōu)異的光譜透過(guò)性和光學(xué)均勻性使得石英玻璃廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻和精密光學(xué)器件領(lǐng)域。


        此外,石英玻璃具有良好的耐輻照性能,耐輻照石英玻璃已經(jīng)廣泛用作“神舟”系列宇宙飛船的窗口材料,“天宮”系列空間實(shí)驗(yàn)室關(guān)鍵部件的防護(hù)罩等。


         

        石英視窗(圖片來(lái)源:菲利華)


        (2)機(jī)械性能


        石英玻璃和普通玻璃類(lèi)似,屬于脆硬材料。與普通玻璃相同,石英玻璃的強(qiáng)度參數(shù)受很多因素影響,包括表面狀態(tài)、幾何形狀和測(cè)試方法等。透明石英玻璃的抗壓強(qiáng)度一般為490~1960MPa,抗拉強(qiáng)度為50~70MPa,抗彎強(qiáng)度為66~108MPa,抗扭強(qiáng)度約為30MPa。


        (3)電學(xué)性能


        石英玻璃是優(yōu)良的電絕緣材料。與普通玻璃相比,石英玻璃有著較高的電阻率,常溫下石英玻璃的電阻率高達(dá)1.8×1019Ω∙cm。此外,石英玻璃有著較高的擊穿電壓(約為普通玻璃的20倍)以及較低的介電損耗。石英玻璃的電阻率隨著溫度升高略有下降,不透明石英玻璃的電阻率低于透明石英玻璃。


        (4)熱學(xué)性能


        由于石英玻璃內(nèi)部幾乎全部為較強(qiáng)的Si-O鍵作用,它的軟化溫度非常高,長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)1000℃。另外石英玻璃的熱膨脹系數(shù)是常見(jiàn)工業(yè)玻璃之中最低的,其線(xiàn)膨脹系數(shù)可達(dá)5×10-7/℃,經(jīng)過(guò)特殊處理的石英玻璃甚至可以達(dá)到零膨脹。石英玻璃還具有非常好的抗熱振性,即在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)經(jīng)歷極大的溫差也不會(huì)開(kāi)裂。這些優(yōu)良的熱學(xué)特性使得石英玻璃在高溫和極端工作環(huán)境中有著其他玻璃不可替代的地位。


         

        晶圓承載環(huán)(圖片來(lái)源:菲利華)


        高純的石英玻璃可以應(yīng)用在半導(dǎo)體行業(yè)的芯片制造、光纖制造的輔材、工業(yè)高溫爐的觀(guān)察窗、大功率電光源以及航天飛機(jī)表面充當(dāng)隔熱層等。極低的熱膨脹系數(shù)還使得石英玻璃可以應(yīng)用于精密儀器、大型天文望遠(yuǎn)鏡的鏡頭材料等。


        (5)化學(xué)性能


        石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性非常好。不同于其他的商業(yè)玻璃,石英玻璃對(duì)水有著極高的化學(xué)穩(wěn)定性,因此可以應(yīng)用在對(duì)水的純度要求極高的水蒸餾器中。石英玻璃具有優(yōu)良的耐酸性和耐鹽性,除氫氟酸、磷酸和堿性鹽溶液外,與大多數(shù)酸和鹽溶液都不發(fā)生反應(yīng)。與酸和鹽溶液相比,石英玻璃的耐堿性較差,在高溫下會(huì)與堿溶液反應(yīng)。除此之外,石英玻璃和大多數(shù)氧化物、金屬、非金屬以及氣體等在常規(guī)溫度下都不反應(yīng)。極高的純度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性使得石英玻璃可以應(yīng)用在半導(dǎo)體制造業(yè)等對(duì)生產(chǎn)條件要求較高的環(huán)境中。


         

        石英鐘罩(圖片來(lái)源:菲利華)


        3石英玻璃制備方法


        石英玻璃的制備方法可以分為兩大類(lèi)。第一類(lèi)是以天然石英晶體或硅石為原料進(jìn)行熔制得到,稱(chēng)為天然石英玻璃。根據(jù)熱源和工藝的不同可以將第一類(lèi)方法細(xì)分為電熔法,氣煉法,等離子體熔制法等。第二類(lèi)是以含硅化合物(包括鹵化硅,氫化硅及有機(jī)硅等)為原料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)合成得到,稱(chēng)為合成石英玻璃,根據(jù)反應(yīng)原理的不同可以將第二類(lèi)方法分為:等離子體化學(xué)氣相沉積法(PCVD)、火焰水解沉積法(FHD)、溶膠-凝膠法。


         

        高純石英玻璃制備方法


        以下簡(jiǎn)單介紹兩種典型的制備方法。


         

        電熔法和兩步CVD法制備石英玻璃錠的流程對(duì)比圖


        (1)電熔法


        在電熔法中,首先通過(guò)電加熱(電阻加熱或電磁感應(yīng)加熱)將坩堝內(nèi)的粉末狀石英原料進(jìn)行熔化,隨后經(jīng)過(guò)快速冷卻的玻璃化過(guò)程形成石英玻璃。


        采用電熔法制備的石英玻璃,其品質(zhì)主要取決于原料的純度。石英原料中的金屬雜質(zhì)通常很難去除,因此電熔石英玻璃中的金屬雜質(zhì)一般含量較高且難以控制。通過(guò)烘干可以有效去除石英粉料中的水分,因此采用電熔法可以制備出羥基含量較低的石英玻璃。


        (2)兩步CVD法


        兩步CVD法,即“兩步法”氣相沉積法,該方法可分為兩步,第一步是在較低的溫度下進(jìn)行水解反應(yīng),此時(shí)生成的SiO2顆粒呈煙灰狀,SiO2顆粒沉積在基板上首先得到SiO2疏松體,該疏松體是一種多孔結(jié)構(gòu)的無(wú)定形SiO2。第二步將制得的SiO2疏松體轉(zhuǎn)移到高溫加熱爐內(nèi)進(jìn)行脫羥,然后經(jīng)過(guò)燒結(jié)和冷卻過(guò)程最終制得石英玻璃。


        采用兩步化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備高純石英玻璃錠是國(guó)內(nèi)近年來(lái)著力發(fā)展的新技術(shù),其優(yōu)勢(shì)在于可以生產(chǎn)出低羥基或羥基含量可控的石英玻璃,從本質(zhì)上避免了金屬雜質(zhì)的引入,因此具有廣闊的發(fā)展前景。但是兩步CVD法目前仍面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在制備工藝不成熟、對(duì)制備過(guò)程中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足等,限制了其成為工業(yè)中制備石英玻璃的主流技術(shù)。此外,石英玻璃制備工業(yè)還存在著玻璃氣泡缺陷以及產(chǎn)品熱改型過(guò)程難以控制等難題,造成石英玻璃的質(zhì)量無(wú)法得到有效保障。


        參考來(lái)源:

        【1】馬千里.高純石英玻璃制備過(guò)程的研究和工藝優(yōu)化.2020.

        【2】聶蘭艦,等.高性能光學(xué)合成石英玻璃發(fā)制備和應(yīng)用.光學(xué)精密工程.2016.

        【3】菲利華官方網(wǎng)站

        (中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀)

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        作者:星耀

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