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石英玻璃性能

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石英玻璃性能

  石英玻璃是一種只含二氧化硅單一成份的特種玻璃。由于種類、工藝、原料的不同,國(guó)外常常叫做硅酸玻璃、石英玻璃、熔融石英、熔凝石英、合成熔融石英,以及沒(méi)有明確概念的透明、半透明、不透明石英等。我國(guó)統(tǒng)稱石英玻璃(石英玻璃片、石英玻璃管、石英玻璃儀器),多按工藝方法、用途及外觀來(lái)分類,如電熔透明石英玻璃、連熔石英玻璃、氣煉透明石英玻璃、合成石英玻璃、不透明石英玻璃、光學(xué)石英玻璃、半導(dǎo)體用石英玻璃、電光源用石英玻璃等。人們習(xí)慣于用“石英”這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的詞匯來(lái)命名這種材料,這是絕對(duì)不妥的,因?yàn)椤笆ⅰ笔嵌趸杞Y(jié)晶態(tài)的一種通稱,它與玻璃態(tài)二氧化硅在理化性質(zhì)上是有區(qū)別的。


1.純度

  純度是石英玻璃的重要指標(biāo),對(duì)理化性能和使用性能影響甚大,如失透性、高溫強(qiáng)度、軟化點(diǎn)、光的傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射性、熒光特性等;此外,用于半導(dǎo)體工業(yè)的石英玻璃,對(duì)純度的要求更為苛刻,微量的雜質(zhì)將給半導(dǎo)體材料的電性能和壽命以及集成度帶來(lái)嚴(yán)重的影響。由于半導(dǎo)體材料的純度要求控制在ppb數(shù)量級(jí)以下,因此石英玻璃則應(yīng)控制在PPm數(shù)量級(jí)以適應(yīng)半導(dǎo)體工業(yè)的需要。B的分凝系數(shù)近于1,難除掉,是有害的雜質(zhì)之一,Cu、Fe、Ti等影響半導(dǎo)體的少子壽命,K、Na、Li是單晶材料產(chǎn)生微缺陷的有害雜質(zhì)。本公司為半導(dǎo)體工業(yè)服務(wù)已有40余年的歷史,并始終致力于去除上述有害雜質(zhì)的研制工作。


2.失透性

  失透(又叫析晶性)是石英玻璃的一個(gè)固有缺陷,從熱力學(xué)觀點(diǎn)看,石英玻璃的內(nèi)能高于結(jié)晶態(tài)方石英,屬熱力學(xué)上不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài),當(dāng)溫度高于1000℃時(shí),SiO2 分子振動(dòng)加速,經(jīng)一段較長(zhǎng)時(shí)間的重新排列、定向便形成結(jié)晶。失透性是以晶核成長(zhǎng)速度來(lái)表示的,不透明石英玻璃在1520℃、透明石英玻璃在1620℃析晶速度分別達(dá)到大值。


  析晶主要出現(xiàn)在表面,其次是內(nèi)部缺陷處,原因是這些地方容易沾污,引起雜質(zhì)離子的局部集聚,特別是堿離子(如K、Na、Li、Ca、Mg等)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后引起粘度降低,促使失透加速。


  由于石英玻璃的熱膨脹系數(shù)和比重同析晶產(chǎn)物β-方石英相近,所以在高溫下連續(xù)使用時(shí),盡管析晶區(qū)不斷擴(kuò)大,但體積變化并不明顯,仍可滿意地繼續(xù)使用,此時(shí)尚可減輕玻璃的塑性變形,使耐火度提高。當(dāng)析晶產(chǎn)物冷卻到800℃時(shí),則出現(xiàn)細(xì)小的龜裂網(wǎng)絡(luò)。繼續(xù)冷卻到200-275℃時(shí),則出現(xiàn)方石英從高溫型到低溫型(即β-方石英→a-方石英)的結(jié)構(gòu)變化,并伴隨著發(fā)生體積聚變,如果析晶層很深,則石英玻璃亦隨之破裂。由于析晶常常出現(xiàn)在有雜質(zhì)的地方,所以高溫使用前的表面狀態(tài)及周圍耐火材料、氣氛十分重要。有關(guān)使用石英玻璃時(shí)注意事項(xiàng)后面還要介紹。


3.化學(xué)性能

  石英玻璃屬酸性材料,除氫氟酸和熱磷酸外,對(duì)其它任何酸均表現(xiàn)為惰性,是好的耐酸材料。在常溫下堿和鹽對(duì)石英玻璃的腐蝕程度也是微小的,因此不排除在這些試劑中使用石英玻璃。


  透明石英玻璃比不透明石英玻璃具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性,這是因?yàn)楹笳哂捎跉馀莸拇嬖诒┞对诟g液中的表面積增加所致。


4.離子擴(kuò)散及透氣性

  石英玻璃的結(jié)構(gòu)十分松弛,甚至在高溫下還允許某些氣體的離子通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)散,其中以鈉離子的擴(kuò)散快。石英玻璃的這一性能對(duì)于使用者尤為重要,例如,半導(dǎo)體工業(yè)用石英玻璃作為高溫容器或擴(kuò)散管時(shí),由于半導(dǎo)體材料要求很高的純度,所以要求與石英玻璃接觸的作為爐襯的耐火材料必須預(yù)先經(jīng)過(guò)高溫和清潔處理,除掉鉀、鈉等堿性雜質(zhì),然后才能放入石英玻璃內(nèi)使用。


5.電學(xué)性能

  石英玻璃具有很高的介電強(qiáng)度和低的導(dǎo)電率,即是在高溫、高壓和高頻下,仍能保持很高的介電強(qiáng)度和電阻,在所應(yīng)用的頻帶內(nèi)幾乎沒(méi)有介電損耗,因此石英玻璃是優(yōu)良的高溫介電絕緣材料。


6.光學(xué)性能

  石英玻璃的光學(xué)性能有其獨(dú)到之處,它既可以透過(guò)遠(yuǎn)紫外光譜,是所有透紫外材料優(yōu)者,又可透過(guò)可見(jiàn)光和近紅外光譜。用戶可以根據(jù)需要,從185-3500mμ波段范圍內(nèi)任意選擇所需品種。由于石英玻璃耐高溫,熱膨脹系數(shù)小,化學(xué)熱穩(wěn)定性好,氣泡、條紋、均勻性、雙折射又可與一般光學(xué)玻璃媲美,所以它是在各種惡劣場(chǎng)合下工作具有高穩(wěn)定度光學(xué)系統(tǒng)的必不可少的光學(xué)材料。

  石英玻璃的結(jié)構(gòu),雜質(zhì)含量,OH基因及NO、CO等含量是影響光譜透過(guò)率的主要因素,氧原子結(jié)合不良在0.24μ處則有吸收峰,含有OH基團(tuán)的石英玻璃,在2.7μ處由于分子振動(dòng)將產(chǎn)生明顯的吸收峰,紫外透過(guò)率低主要是由于金屬雜質(zhì)多造成原子吸收光譜所致。


  電熔石英玻璃是很好的透紅外材料,但由于雜質(zhì)的存在,紫外透過(guò)率低。氫氧焰熔制水晶所獲得的石英玻璃,由于氧結(jié)構(gòu)缺陷,在0.24μ處有吸收峰,同時(shí)含有OH基團(tuán),所以紅外透過(guò)低。用合成原料氣煉的高純光學(xué)石英玻璃是好的透紫外材料,但在2.7μ處有嚴(yán)重的OH吸收峰。只有用合成原料通過(guò)電熔或無(wú)氫火焰熔融而成的光學(xué)石英玻璃,才能很好地透過(guò)從遠(yuǎn)紫外到近紅外的連續(xù)光譜。


7.熱學(xué)性能

  石英玻璃的熱膨脹系數(shù)小,為5.5×10-7/℃,只有普通玻璃的1/12~1/20.部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將試樣灼燒到1200℃后急速投到冷水中,反復(fù)三次以上不允許炸裂。石英玻璃加入適量鈦元素后還可做成零膨脹系數(shù)的材料,在激光技術(shù)、天文和尖端技術(shù)中已得到應(yīng)用。


8.機(jī)械性能

  石英玻璃的機(jī)械性能比硬質(zhì)玻璃和陶瓷都好,唯脆性較差。石英玻璃的理論計(jì)算強(qiáng)度很高,約為24×103MPa,但實(shí)際測(cè)得的強(qiáng)度要比這個(gè)數(shù)值低數(shù)十倍。影響強(qiáng)度的主要因素首先是玻璃的表面缺陷,特別是表面微裂紋的大小及深度影響明顯,細(xì)磨的石英玻璃試樣比粗磨的試樣,其抗折強(qiáng)度約增加0.6倍;其次是內(nèi)在缺陷,例如,氣泡、雜質(zhì)、熔化不均以及殘余應(yīng)力等。


  石英玻璃(石英玻璃片、石英玻璃管、石英玻璃儀器)的強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加,接近退火溫度時(shí)達(dá)到大值。


  石英玻璃的剪切模量、楊氏模量、阻尼、泊松比、破壞模量一般均隨著溫度的升高而增加,硬度則隨著溫度的升高而降低。


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