2019年1月3日上午10點(diǎn)26分，嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次月背軟著陸、首次月背與地球的中繼通信，開啟了人類月球探測(cè)新篇章。
嫦娥四號(hào)歷經(jīng)26天飛行成功著陸，離不開太陽敏感器（用于航天器軌道控制和姿態(tài)控制），而作為太陽敏感器關(guān)鍵材料—中國建材總院石英院研制的耐輻照石英玻璃更是功不可沒。
▲耐輻照石英玻璃
石英玻璃被譽(yù)為玻璃材料中的“皇冠”，是一種以SiO2為單組分的玻璃，具有超強(qiáng)的機(jī)械力學(xué)性能、熱性能、光學(xué)性能和電學(xué)性能。在半導(dǎo)體、光學(xué)器件、光通訊、太陽能等行業(yè)中，發(fā)揮著不可替代的作用。高純石英砂是目前取代水晶礦，熔煉石英玻璃的主要原材料。
1、石英玻璃的種類
根據(jù)熔煉工藝的不同，商業(yè)化石英玻璃主要分以下四類：
（1）真空氣氛下電熔工藝，原料使用高純石英砂（40目~80目）。羥基含量小（1ppmw~10ppmw），但相對(duì)來說，氣泡與金屬雜質(zhì)含量高，Al（30ppmw~100ppmw），Na（4ppmw）。商用品名有Infrasil，G.E.105，201，204。
（2）氣煉工藝，以氫氣或其他含氫燃料與氧氣作為能源熔制石英玻璃，原料使用高純石英砂（100目~200目）。熔煉過程中金屬污染少，氣泡少，但由于氫氧氣氛下，羥基含150ppmw~400ppmw。商用品名有Herasil，Homosil，Optosil，G.E.104。
（3）火焰水解合成石英玻璃（CVD），SiCl4噴入氫氧焰中水解?；緵]有金屬雜質(zhì)，但含有偏高的羥基（1000ppmw）和Cl（100ppmw）。商用品名SuprasilS，Spectrosil，Corning7940。
（4）合成石英玻璃（PCVD），無水的等離子焰中水解SiCl4。與第三種類似但羥基只有0.4ppmw，Cl為200ppmw。商用品名SuprasilW，SpectrosilWF，Corning7943。
2、石英玻璃的性能及用途
（1）熱學(xué)性能方面，石英玻璃的耐高溫變形、抗熱振性能好。其軟化點(diǎn)（1665℃）與鉑的熔點(diǎn)接近；平均線膨脹系數(shù)很低（α=5.4×10-7/℃），僅僅為普通玻璃的1/10~1/20，就是在高溫下迅速投入冷水中，也不會(huì)碎裂。
石英玻璃以其優(yōu)良的熱學(xué)性能廣泛應(yīng)用于提煉單晶硅和多晶硅，用其制成的石英坩堝能承受晶圓加工中退火等快速熱處理工藝的壓力，是光伏產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可或缺的材料。
（2）化學(xué)性能方面，石英玻璃極不活潑，是良好的耐酸材料（氫氟酸除外），甚至在高溫下也不與酸反應(yīng)。特別適合做高溫耐酸燃燒、冷卻裝置及酸性化學(xué)品的制備和儲(chǔ)藏裝置以及各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)玻璃器皿。
（3）光學(xué)性能方面，其對(duì)整個(gè)光譜都有良好的透光性，紫外線及紅外線范圍內(nèi)光學(xué)高透過率是一般光學(xué)玻璃所不具備的，可以作為各種光學(xué)設(shè)備的棱鏡和透鏡；高溫作業(yè)、反應(yīng)堆窗口；光通訊領(lǐng)域中的光纖和光電器件；利用了其對(duì)光的高透射性，加上高溫穩(wěn)定性和抗熱震性，使其在高溫?zé)艄茴I(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如紫外燈、紅外燈、水銀燈、氙氣燈和鹵素?zé)舻鹊母邷責(zé)艄堋?br />
（4）電學(xué)應(yīng)用中，石英玻璃是極好的絕緣材料，常溫下電阻值（1016Ωm）相當(dāng)于普通玻璃（1014Ωm）的100倍，適合制造耐高溫的高頻高壓絕緣子。
3、雜質(zhì)對(duì)石英玻璃制品的影響
石英玻璃綜合性能高，具有良好的熱學(xué)性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能，但微量的雜質(zhì)就能大大減低其性能。因此，控制石英玻璃中雜質(zhì)的含量，提高石英玻璃的純度有利于提高石英玻璃的性能。而石英玻璃的純度直接取決于原料|—高純石英砂的純度，同時(shí)根據(jù)加工的條件、方法不同也會(huì)引入部分雜質(zhì)。
（1）堿（堿土）金屬元素
石英玻璃里面的堿（堿土）金屬元素，能降低石英玻璃的機(jī)械強(qiáng)度、熱學(xué)性能和光學(xué)性能。特別是在石英玻璃高溫（>1000℃）應(yīng)用中，堿（堿土）金屬雜質(zhì)能起到助熔作用，形成結(jié)晶核心，使石英玻璃出現(xiàn)析晶失透、變形等不良現(xiàn)象。
（2）Al、B元素
微量Al的滲入即能降低石英玻璃高溫黏度，也能增強(qiáng)玻璃析晶作用，降低石英玻璃的應(yīng)用性能。因此應(yīng)控制石英玻璃中Al含量，一般要求Al含量需低于20ppmw，半導(dǎo)體和石英坩堝中更是要求低于10ppmw；多晶硅拉制單晶硅時(shí)，B元素超標(biāo)對(duì)單晶硅的電阻起到巨大的影響。
（3）過渡金屬元素
過渡金屬元素Fe、Ni、Mn、Zn等取代Si，容易使石英玻璃產(chǎn)生色斑，光透率降低，還會(huì)破壞玻璃的絕緣性，對(duì)電器設(shè)備的穩(wěn)定性造成較大影響。
（4）羥基
在石英玻璃熔煉過程中，水與SiO2反應(yīng)，生成羥基（-OH），羥基含量的多少與熔煉氣氛密切相關(guān)。通常情況下，氫氧焰氣煉石英玻璃羥基含量較大（150~400ppmw），而真空電熔石英玻璃羥基僅為1~10ppmw。
羥基和堿金屬一樣能降低玻璃黏度，從而降低耐溫性；影響熱膨脹系數(shù)，降低熱震性；羥基會(huì)吸收紅外線，減少紅外線透過率；它的存在，還會(huì)增大石英玻璃的析晶率，從而，制品的高溫使用壽命降低。
（5）氣液包裹體
石英礦普遍存在的氣液包裹體是形成石英玻璃氣泡的主要因素，氣泡能劣化石英玻璃光學(xué)性能和力學(xué)強(qiáng)度。
石英熔體粘度高，是石英玻璃的優(yōu)良特性，但熔煉石英玻璃時(shí)，這卻成了缺點(diǎn)。石英玻璃熔煉時(shí)，原料中的氣體包裹體形成氣泡，熔體升溫至1700℃，黏度仍高達(dá)105Pa·s，氣泡不易浮出。雖然繼續(xù)升溫，可降低石英熔體黏度，但加熱至1900℃后，石英汽化作用增快，大幅增加能耗并造成材料大量損失。
總之，不同領(lǐng)域?qū)κ⒉Ａ阅艿囊蠛蛡?cè)重點(diǎn)不同，其對(duì)雜質(zhì)種類和數(shù)量的限制要求也不同。燈管和光學(xué)行業(yè)中Al含量不能超過20ppmw，其他的金屬雜質(zhì)應(yīng)小于1ppmw，總雜質(zhì)含量控制在30ppmw以內(nèi)。半導(dǎo)體和石英坩堝對(duì)雜質(zhì)含量要求更苛刻，Al含量應(yīng)盡可能的少，一般小于10ppmw，其他金屬雜質(zhì)小于0.1ppmw，總雜質(zhì)含量控制在15ppmw以內(nèi)。
石英及硅材料精細(xì)加工技術(shù)高級(jí)研修班
2019年3月23-25日 | 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）
掃碼報(bào)名
培訓(xùn)咨詢
主要培訓(xùn)內(nèi)容：
石英礦工藝礦物學(xué)
硅質(zhì)玉石的識(shí)別和鑒賞
石英礦物種類識(shí)別
石英產(chǎn)品及其應(yīng)用指標(biāo)
石英常規(guī)選礦技術(shù)與設(shè)備
高純石英精細(xì)提純與加工技術(shù)
石英粉表面改性技術(shù)與應(yīng)用
石英砂生產(chǎn)線設(shè)計(jì)
高純石英礦物粉體材料的制備技術(shù)與應(yīng)用
其他培訓(xùn)內(nèi)容
編輯整理：粉體技術(shù)網(wǎng)
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