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        【原創(chuàng)】石英玻璃品質(zhì)難保證?你可能忽略了這些細節(jié)


        來源:中國粉體網(wǎng)   初末

        [導(dǎo)讀]  石英玻璃的性能主要受原材料和生產(chǎn)工藝影響,如果原材料的純度不夠,則生產(chǎn)出來的石英玻璃會有各種問題,氣泡氣線、雜質(zhì)、羥基含量高、析晶嚴重都會導(dǎo)致各種性能不達標(biāo)。

        中國粉體網(wǎng)訊  石英玻璃是半導(dǎo)體、新型顯示、新能源等諸多戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)不可或缺的關(guān)鍵原材料,對于相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定具有重要意義,目前沒有可替代材料,由國外龍頭企業(yè)掌握高端玻璃市場的話語權(quán)。經(jīng)過發(fā)展,我國石英玻璃產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、市場占有率等方面取得了長足進步。然而,我國高端石英玻璃產(chǎn)品羥基含量、金屬雜質(zhì)含量、批次穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率等仍與國外產(chǎn)品存在一定差距。



        石英玻璃的性能主要受原材料和生產(chǎn)工藝影響,如果原材料的純度不夠,則生產(chǎn)出來的石英玻璃會有各種問題,氣泡氣線、雜質(zhì)、羥基含量高、析晶嚴重都會導(dǎo)致各種性能不達標(biāo)。如果工藝控制不嚴格,出現(xiàn)羥基、內(nèi)應(yīng)力、條紋及微觀結(jié)構(gòu)缺陷,同樣會降低石英玻璃材料的性能指標(biāo)。


        原料中的雜質(zhì)


        堿金屬元素:Li、Na、K等堿金屬在熔融石英玻璃結(jié)構(gòu)中具有極強的助熔作用,導(dǎo)致其在高溫應(yīng)用中出現(xiàn)失透、變形等現(xiàn)象;其次,堿金屬會影響石英玻璃的熱學(xué)特性和光學(xué)特性,降低電光源、半導(dǎo)體等的使用壽命;除此之外,堿金屬還能增大石英玻璃的介電系數(shù)和介電損耗,影響石英玻璃的介電性能和機械強度。


        過渡金屬元素:過渡金屬元素Fe、Cr、Mn、Ni、Cu等都有多種氧化態(tài),常呈一定的顏色,對熔融石英玻璃質(zhì)量影響特別嚴重。比如微量過渡金屬元素會降低熔融石英玻璃的導(dǎo)電性,對儀器的可靠性和預(yù)見性起負面作用,還會使其產(chǎn)生色斑或高溫變色,影響透光性能。


        Al、B和Ti等元素:石英中Al、B和Ti含量與礦床地質(zhì)有直接關(guān)系,Al、B和Ti進入石英晶格中產(chǎn)生較強的化學(xué)鍵,是石英中最難脫除的雜質(zhì)元素。這些元素含量過高會嚴重影響石英玻璃的析晶行為,導(dǎo)致石英玻璃硬而脆,強度降低。


        包裹體雜質(zhì):天然石英中通常含有礦物包裹體、石英中的礦物包裹體和熔融包裹體由于粒度極細且被石英嚴密包裹,很難在不破壞石英晶體的條件下通過選冶方法除掉。流體包裹體對高純石英的影響首先表現(xiàn)在流體包裹體中富含金屬離子,是影響石英純度的主要因素之一。


        羥基


        石英玻璃中的雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定其物理、化學(xué)性能,而羥基的存在改變石英玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,進而影響了其性能。羥基的存在會降低石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強度、耐熱性和光學(xué)均勻性等。


        羥基的存在會改變石英玻璃的物理化學(xué)性能。石英玻璃優(yōu)異的性能特點主要依賴于石英玻璃穩(wěn)定的【SiO4】四面體結(jié)構(gòu),當(dāng)存在羥基缺陷時,會斷開Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)中的Si-O鍵,增加結(jié)構(gòu)的疏松度,降低石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性,減小其密度,降低其粘度。由于羥基增加了Si-O鍵的柔韌性,因此羥基含量的增加會使得石英玻璃楊氏模量E和扭轉(zhuǎn)模量G增加,軟化溫度降低,促進析晶。


        羥基的存在會影響石英玻璃的光學(xué)性能,羥基會引起紅外光譜的吸收。


        采用電熔法制備的熔融石英玻璃中,羥基主要來源于高純石英砂原料中的流體包裹體,采用氣煉法制備的熔融石英玻璃中的羥基主要來源于氫氧焰,氫氣和水極易與二氧化硅中的氧反應(yīng)生成羥基,采用等離子熔制法制備的石英玻璃純度高、羥基含量低。


        氣泡


        流體包裹體在石英熔融過程不會完全爆裂,熔化前未爆裂的流體包裹體會在熔融石英玻璃中形成氣泡缺陷。熔融石英的粘度非常大,因此氣泡在其中很難被除去。因此,石英玻璃制備需選用包裹體數(shù)量少或已爆破、雜質(zhì)含量低的原料。


        原料粒度分布不均勻會導(dǎo)致石英玻璃的氣泡和微量晶核的產(chǎn)生。比如在熔制過程中,由于表面活化能的不同,小顆粒石英比大顆粒石英優(yōu)先熔化,先熔化的石英熔液包覆于未熔化的石英砂表面,使大顆粒不易徹底熔化,形成顆粒缺陷,產(chǎn)生顆粒晶核,加速析晶。此外,小顆粒間隙所包含的氣體量多,增大了熔化排氣難度。


        原料的顆粒形狀也是影響石英玻璃產(chǎn)生氣泡的原因之一。在高純石英砂的熔制過程中,長徑比大的針狀顆粒易形成架棚現(xiàn)象,使下料不暢,導(dǎo)致玻璃制品出現(xiàn)工藝氣泡。為了減少架棚現(xiàn)象,增加石英砂的流動性,要求石英砂為粒狀,長徑比盡量接近1:1,近似球形。因此,必須對原料的粒度分布與顆粒形狀進行嚴格控制。


        總之,石英玻璃品質(zhì)不佳主要有兩個方面,一是原材料的純度,二是生產(chǎn)工藝,必須從石英原料的處理和石英玻璃的生產(chǎn)的核心技術(shù)工藝這兩方面著手去提高石英玻璃的性能。


        參考來源:

        符博等.石英玻璃中羥基對其性能的影響

        張玉等.石英玻璃的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

        譚琦等.熔融石英玻璃制備工藝研究進展

        馬千里.高純石英玻璃制備過程的研究和工藝優(yōu)化

        張萌等.對石英玻璃產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的幾點思考


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末)

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        作者:初末

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