中國粉體網(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，具有普通玻璃無可比擬的一系列優(yōu)異性質(zhì)，被新材料領(lǐng)域?qū)＜易u為“玻璃之王”，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)、光學、光伏、半導(dǎo)體等國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和航空航天等國防領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)性材料。

圖片來源：太平洋石英

1石英玻璃的結(jié)構(gòu)特點

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、長程無序的排列狀態(tài)，由于Si-O鍵的鍵能較強且較為穩(wěn)定，因此石英玻璃具有較高的軟化溫度、極佳的光譜透過性、極低的熱膨脹系數(shù)和電導(dǎo)率、極高的化學穩(wěn)定性、耐輻照性以及在極端條件下較長的工作壽命等特點。

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）光學性能

石英玻璃具有一系列優(yōu)異的光學性能。與普通玻璃相比，高純石英玻璃具有從遠紫外（160nm）到遠紅外（5μm）極寬光譜內(nèi)的良好透過性，這是一般光學玻璃所不具備的。優(yōu)異的光譜透過性和光學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”系列空間實驗室關(guān)鍵部件的防護罩等。

石英視窗（圖片來源：菲利華）

（2）機械性能

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

（3）電學性能

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）熱學性能

由于石英玻璃內(nèi)部幾乎全部為較強的Si-O鍵作用，它的軟化溫度非常高，長期工作溫度可達1000℃。另外石英玻璃的熱膨脹系數(shù)是常見工業(yè)玻璃之中最低的，其線膨脹系數(shù)可達5×10^-7/℃，經(jīng)過特殊處理的石英玻璃甚至可以達到零膨脹。石英玻璃還具有非常好的抗熱振性，即在短時間內(nèi)反復(fù)經(jīng)歷極大的溫差也不會開裂。這些優(yōu)良的熱學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)高溫爐的觀察窗、大功率電光源以及航天飛機表面充當隔熱層等。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、大型天文望遠鏡的鏡頭材料等。

（5）化學性能

石英玻璃的化學穩(wěn)定性非常好。不同于其他的商業(yè)玻璃，石英玻璃對水有著極高的化學穩(wěn)定性，因此可以應(yīng)用在對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)等對生產(chǎn)條件要求較高的環(huán)境中。

石英鐘罩（圖片來源：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。第一類是以天然石英晶體或硅石為原料進行熔制得到，稱為天然石英玻璃。根據(jù)熱源和工藝的不同可以將第一類方法細分為電熔法，氣煉法，等離子體熔制法等。第二類是以含硅化合物（包括鹵化硅，氫化硅及有機硅等）為原料通過化學反應(yīng)合成得到，稱為合成石英玻璃，根據(jù)反應(yīng)原理的不同可以將第二類方法分為：等離子體化學氣相沉積法（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比圖

（1）電熔法

在電熔法中，首先通過電加熱（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行熔化，隨后經(jīng)過快速冷卻的玻璃化過程形成石英玻璃。

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行水解反應(yīng)，此時生成的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)進行脫羥，然后經(jīng)過燒結(jié)和冷卻過程最終制得石英玻璃。

采用兩步化學氣相沉積（CVD）法制備高純石英玻璃錠是國內(nèi)近年來著力發(fā)展的新技術(shù)，其優(yōu)勢在于可以生產(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、對制備過程中的關(guān)鍵科學問題認識不足等，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)品熱改型過程難以控制等難題，造成石英玻璃的質(zhì)量無法得到有效保障。

參考來源：

【1】馬千里.高純石英玻璃制備過程的研究和工藝優(yōu)化.2020.

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

【3】菲利華官方網(wǎng)站

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）

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