高純石英作為原材料被廣泛的應(yīng)用于包括太陽能、航天航空、光纖通訊、光學(xué)儀器等在內(nèi)的高科技行業(yè)。這些行業(yè)對(duì)Si02的純度要求必須高于99.9%。過去只能使用天然水晶經(jīng)簡單加工來滿足工業(yè)需要,隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,高純石英的需求成倍增長,但水晶資源己日漸枯竭。因此,尋求替代水晶來制備高純石英的方法已成為急需解決的難題。
目前,我國透明石英玻璃及制品的年產(chǎn)量已達(dá)五萬噸,不透明石英玻璃制品年生產(chǎn)量達(dá)兩千余噸。通過引進(jìn)技術(shù)和消化吸收,以及科研人員創(chuàng)新,一些新品種、新技術(shù)和新裝備不斷開發(fā)出來,如激光技術(shù)和特種光源用 雜石英玻璃、光通信用石英玻璃管、醫(yī)用光纖、石英玻璃纖維和纖維棉等。
1 熔融石英的品種
熔融石英分為透明和不透明兩大類。透明熔融石英又可分為普通石英玻璃、高純石英玻璃和摻雜石英玻璃。按照產(chǎn)品形狀可分為:管材、棒材、板材、琳禍、鐘罩以及石英玻璃纖維石英棉。從特殊功能方面還有低溫膨脹熔融石英、耐福照熔融石英、透紫外線或紅外線熔融石英玻璃等。
熔融石英工業(yè)在近幾十年發(fā)展特別迅速,國內(nèi)外各熔融石英企業(yè)為適應(yīng)不同領(lǐng)域的需要開發(fā)了許多新品種。如德國HERAEUS公司開發(fā)的低經(jīng)基熔融石英玻璃、粉料光學(xué)級(jí)擦融石英玻璃、合成光學(xué)級(jí)熔融石英玻璃以及不透明煉融石英玻璃。美國GEQUARTZ公司開發(fā)的用于紫外線殺菌燈的摻鐵管、用于特種電光源的摻鈰管以及具有超高純寬紫外線透過能力的熔融石英玻璃等。
國內(nèi)方面,釆用連續(xù)融化工藝制造電光源用熔融石英玻璃管已經(jīng)形成規(guī)模,一些產(chǎn)品已經(jīng)趕上國外先進(jìn)水平,且由于成本低廉具有很強(qiáng)的競爭力。
2 熔融石英的性能
熔融石英突出的優(yōu)越性是其具有其他材料所沒有的獨(dú)特的綜合性能,即非常低的熱導(dǎo)率、極好的抗熱振性,很高的變形溫度和軟化溫度,很低的熱傳導(dǎo)能力,很低的介電損失和從紫外線到紅外線的極寬的光譜范圍內(nèi)的光學(xué)透過能力。
力學(xué)性能：熔融石英是脆硬材料,其抗拉強(qiáng)度很低而抗壓強(qiáng)度很高,后者是前者的20倍。表1-1給出了 融石英的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。熔融石英性能測試與試樣的內(nèi)在質(zhì)量和表面狀態(tài)關(guān)系密切,一些缺陷和表面粗糙度對(duì)測試結(jié)果都會(huì)有很大影響。
 熱學(xué)性能：(1)熔融石英的線膨脹系數(shù)比所有材料的線膨脹系數(shù)都低,經(jīng)過摻雜的恪融石英甚至可以達(dá)到零膨脹。而且透明煉融石英與不透明熔融石英的線膨脹系數(shù)相差很少。(2)由于熔融石英具有極低的線膨脹系數(shù),故其有著非常好的抗熱振性能。透明熔融石英玻璃試樣在加熱到1000℃再投入20℃水中不會(huì)炸裂。通常用經(jīng)多次加熱水萍直到破碎的次數(shù)來衡量其抗熱振能力。(2)黏度是石英玻璃最重要的性能之一。a-方石英在1723°C熔化為熔融石英，而館融石英是非晶體材料,沒有固定融點(diǎn)。一般在不同溫度下的黏度值來表征其熱加工性能和應(yīng)用性能。在煉融狀態(tài)下,石英玻璃的黏度為105-106dPa.s。再升溫到1100°C以下工作。當(dāng)加熱到1400℃-1500℃時(shí),黏度達(dá)到109dPa.s-1010Pa-s,變形加快。再升溫到1700℃黏度為106dPa.s,可以進(jìn)行吹制、彎曲等熱加工。 (3)析晶是熔融石英在高溫下析出二氧化桂結(jié)晶相的過程。溫度越高結(jié)晶前沿的擴(kuò)展速度就越快。
光學(xué)性能：熔融石英與普通玻璃的一個(gè)重要區(qū)別是它在整個(gè)光譜內(nèi)的良好透過性,尤其在紫外線光譜內(nèi)的透過性是一般光學(xué)玻璃不具備的,這取決于熔融石英的化學(xué)純度。
電學(xué)性能：熔融石英主要的電學(xué)特性是高的介電場強(qiáng)度,很低的介電損失和很低的導(dǎo)電性。所以廣泛用于制造高頻電壓絕緣子。特別是在高溫和承受較高機(jī)械應(yīng)力的場合更為適用。
化學(xué)性能：熔融石英是化學(xué)穩(wěn)定性非常好的材料,與水、鹽融液和大多數(shù)酸都不發(fā)生反應(yīng)。相對(duì)于普通玻璃而言,熔融石英不惜濕,不風(fēng)化。只有氧氟酸可腐蝕石英玻璃?；瘜W(xué)元素中的鋁、碳、鈣、鎂等在高溫下可與熔融石英發(fā)生反應(yīng)。
3 熔融石英的應(yīng)用
(1)在電光源行業(yè)中的應(yīng)用：電光源是將電能轉(zhuǎn)化為光能的器件,廣泛用于日常照明、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和科研等方面。溶融石英電光源主要產(chǎn)品包括低強(qiáng)度的節(jié)能燈、殺菌燈以及高強(qiáng)度的萊燈、鈉燈、金屬齒化物燈等,除此之外還包括紅外線燈、紫外線殺菌燈等。殺菌燈主要用于醫(yī)療衛(wèi)生、飲食行業(yè)。
(2)在光纖行業(yè)中的應(yīng)用:熔融石英材料是生產(chǎn)光纖預(yù)制棒和光纖生產(chǎn)過程中主要的輔助配套材料,沒有質(zhì)量優(yōu)異的原材料就無法生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的光纖產(chǎn)品,從而無法進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。高純?nèi)廴谑⒒苁荕CVD、PCVD及其衍生工藝技術(shù)中重要的原材料之一,它有嚴(yán)格的尺寸和純度要求,在光纖制造過程作為新層的沉積基管,要求為光導(dǎo)級(jí),由此可見對(duì)材料的純度和內(nèi)在質(zhì)量要求很高。熔融石英材料是光纖預(yù)制棒的重要基礎(chǔ)材料,而且熔融石英制品也貫穿于制棒和拉絲等光纖生產(chǎn)的全過程,目前我國的部分光纖用石英玻璃制品已達(dá)到了一定的水平,但缺少尖端產(chǎn)品,如高精度、高純度的石英玻璃基管、外套管。
(3)在電子信息、半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用:我國電子信息、半導(dǎo)體制造發(fā)展迅速,與此同時(shí)對(duì)關(guān)鍵材料也提出了明確的要求,促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,熔融石英制造業(yè)成為電子信息、半導(dǎo)體、集成電路行業(yè)發(fā)展的受益者。因石英玻璃的高純度、耐高溫、低的熱膨脹等優(yōu)良性能而被大量采用。如:在對(duì)單晶掛片進(jìn)行摻雜、擴(kuò)散、氧化、退火等關(guān)鍵工序中使用的煉融石英擴(kuò)散管;硅片外延工序使用的石英鐘罩;桂片酸洗和超聲波清洗工序使用的支架;控制單晶硅工序中使用的石英坩堝等。
(4)在光學(xué)行業(yè)中的應(yīng)用:由于熔融石英的各項(xiàng)優(yōu)良性能,所以在各種光學(xué)系統(tǒng)中、高、低溫光譜測試系統(tǒng)中,廣泛用作透鏡、棱鏡、照相機(jī)鏡頭、天文望遠(yuǎn)鏡等。因熔融石英的高透過和耐高溫性能而廣泛用于工業(yè)蜜爐、鍋爐及其他高溫場合的高溫觀測窗口。在激光技術(shù)方面,各類石英光纖、濾紫外線石英玻璃等廣泛用于激光醫(yī)療、工業(yè)激光加工、激光測距、傳感、儀器儀表等領(lǐng)域。
(5)在航空航天行業(yè)中的應(yīng)用:熔融石英具有很低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的耐輻照性能,因此,它在航空業(yè)有廣泛用途。美國康寧公司研制的代號(hào)7971熔融石英具有超低膨脹系數(shù),在0-200℃范圍平均線性熱膨脹系數(shù)為零,熱穩(wěn)定性特別好,密度低、剛度好、磨光性能好。用該類熔融石英制作大型天文望遠(yuǎn)鏡坯料,可制作直徑3.96m鏡坯。濾紫外線耐轄照擦融石英具有很好的抵御高能射線的能力,同時(shí)可以過濾紫外線以保護(hù)內(nèi)部傳感器。煉融石英還可以作為結(jié)構(gòu)件被用在太空飛船和航天飛機(jī)上。
(6)在其他行業(yè)中的應(yīng)用:在雷達(dá)上作為超聲延遲玻璃,超聲信號(hào)在熔融石英中的傳播速度要比金屬小十倍,并且具有延遲溫度系數(shù)低的特性。如果將大型熔融石英加工成多邊形,超聲波在多邊形玻璃中多次反射后可以延遲1微秒以上,這樣可以從一系列反射中識(shí)別移動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)信號(hào),并可測定移動(dòng)目標(biāo)方位,具有現(xiàn)實(shí)意義。
在化工行業(yè)中,由于熔融石英具有耐酸、耐高溫、化學(xué)純度高等特性,是一些化工生產(chǎn)設(shè)備的理想材料。實(shí)驗(yàn)室精餾水制取也一般采用石英玻璃精餾塔。在冶煉行業(yè)中,熔融石英也是必不可少的材料。為測定鋼鐵液面溫度,外罩為透明熔融石英。工業(yè)密爐上,熔融石英通常被作為高溫觀察窗以觀察爐內(nèi)熔化情況?？傻钟?00℃的溫差。另外熔融石英具有熱膨脹系數(shù)極低、化學(xué)穩(wěn)定性極好的特點(diǎn),因此可用來制造精密儀器,如:波長表、干涉儀、重力儀、陀螺儀等高精儀器。
總之, 熔融石英由于其優(yōu)越的性能,被廣泛用于各行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,其運(yùn)用前景必將更廣闊。
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