中國粉體網(wǎng)訊 石英玻璃的性能與化學(xué)純度密切相關(guān)，其化學(xué)純度會受到原材料和制備工藝的影響。天然石英晶體在生長的過程會不可避免的產(chǎn)生各種缺陷，而玻璃制品在制備過程中，受到制備工藝和操作環(huán)境的限制，可能會引入各種雜質(zhì)、產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進而引發(fā)結(jié)構(gòu)缺陷和宏觀缺陷的產(chǎn)生。
來源：日本東曹株式會社
石英玻璃中常見的缺陷
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。氣泡主要來源于水晶粉顆粒內(nèi)含的天然氣液包裹體，或者是水晶粉顆粒之間孔隙所裹帶的空氣、燃燒氣等，其產(chǎn)生還與石英玻璃的熔制過程有關(guān)，不當?shù)娜壑品绞綍䦟?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)在冷卻過程中，是由玻璃不同部位的溫差引起的。熱應(yīng)力不均勻會導(dǎo)致石英玻璃的光學(xué)不均勻性增加，熱應(yīng)力過高時甚至?xí)䦟?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)品的報廢，因此在實際生產(chǎn)中需要對制備工藝進行嚴格的控制。
結(jié)構(gòu)缺陷
石英玻璃的結(jié)構(gòu)缺陷是由于Si-O原子網(wǎng)格中引入了雜質(zhì)，主要包括金屬雜質(zhì)和羥基：金屬雜質(zhì)主要來源于石英砂，F(xiàn)e、Cr等金屬雜質(zhì)會導(dǎo)致產(chǎn)生吸收衰減。石英玻璃中的羥基通常來源于氫氧火焰，羥基會影響Si-O鍵的穩(wěn)定性，降低石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，促進析晶現(xiàn)象的發(fā)生，與此同時，羥基會增加近紅外和中紅外波長域的光學(xué)損耗，Si-OH鍵在波長2.72、1.39和0.9μm等特定波長處的振動吸收帶會影響石英玻璃在光纖和激光領(lǐng)域的應(yīng)用。在半導(dǎo)體工業(yè)中，石英玻璃中的金屬雜質(zhì)超標會直接影響到產(chǎn)品的電特性。
降低石英玻璃缺陷的方法
高溫均化
采用適當?shù)母邷鼐に嚳筛纳粕踔料⒉Ａ?nèi)部氣泡、條紋和顆粒。高溫均化的過程是不均體的溶解（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、均化時間等，石英玻璃在合適的溫度和壓力條件下，均化一定的時間能有效改善材料的結(jié)構(gòu)均勻性與性能穩(wěn)定性。
高溫均化工藝需要特制的真空加壓爐，使得石英玻璃在真空環(huán)境下升溫，待溫度到達石英玻璃軟化溫度后，充入N2加壓到一定壓力，再升溫到石英玻璃軟化變形、完全熔融的狀態(tài)，保持一段時間，石英玻璃結(jié)構(gòu)就會逐漸趨于均勻，最后緩慢降溫。
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，需通過精密退火工藝來消除。
退火
石英玻璃內(nèi)部殘留的內(nèi)應(yīng)力分兩種，一種是經(jīng)過加熱冷卻不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力，另一種是冷加工的過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。石英玻璃的退火工藝可以降低石英玻璃制品的殘余應(yīng)力，消除分布不均勻以及過大的內(nèi)應(yīng)力，對確保產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命具有重要的作用。退火過程中最主要的因素：退火溫度、加熱與冷卻速度、保溫時間，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，所以升溫對其影響不大，最主要的是退火溫度及保溫時間，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。
為了保證石英玻璃溫度的均勻性，減緩升溫速度、延長保溫時間，根據(jù)石英玻璃的半徑大小，制定對應(yīng)的退火時間；為了保證石英不會產(chǎn)生二次應(yīng)力，在冷卻過程中提出了高溫慢降，低溫快降的原理有效的減少了石英玻璃內(nèi)部產(chǎn)生的應(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，氫氧焰制備的石英玻璃的羥基主要是氫氧焰帶來的。試驗研究，電熔石英玻璃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中的羥基在較高的溫度下才開始減少，但是高溫脫羥需要消耗的時間較長，試驗表明在真空條件下脫羥，能有效的降低石英玻璃的羥基含量。熱加工處理過程中在真空或者干燥的小分子氣體及氮氣的氣氛下，可以有效的去除雜質(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。
參考來源：
袁晶.熱處理對Ⅳ類石英玻璃結(jié)構(gòu)均勻性的影響
譚琦等.熔融石英玻璃制備工藝研究進展
尹素萍.石英玻璃冷卻和退火過程的熱應(yīng)力調(diào)控及工藝優(yōu)化
馬千里.高純石英玻璃制備過程的研究和工藝優(yōu)化
凱德石英招股說明書
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！
