高純石英作為原材料被廣泛的應用于包括太陽(yáng)能、航天航空、光纖通訊、光學(xué)儀器等在內的高科技行業(yè)。這些行業(yè)對Si02的純度要求必須高于99.9%。過(guò)去只能使用天然水晶經(jīng)簡(jiǎn)單加工來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)需要,隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,高純石英的需求成倍增長(cháng),但水晶資源己日漸枯竭。因此,尋求替代水晶來(lái)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)量已達五萬(wàn)噸,不透明石英玻璃制品年生產(chǎn)量達兩千余噸。通過(guò)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(kāi)發(fā)出來(lái),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(lèi)。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(xiàn)或紅外線(xiàn)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,國內外各熔融石英企業(yè)為適應不同領(lǐng)域的需要開(kāi)發(fā)了許多新品種。如德國HERAEUS公司開(kāi)發(fā)的低經(jīng)基熔融石英玻璃、粉料光學(xué)級擦融石英玻璃、合成光學(xué)級熔融石英玻璃以及不透明煉融石英玻璃。美國GEQUARTZ公司開(kāi)發(fā)的用于紫外線(xiàn)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(xiàn)透過(guò)能力的熔融石英玻璃等。
國內方面,釆用連續融化工藝制造電光源用熔融石英玻璃管已經(jīng)形成規模,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(méi)有的獨特的綜合性能,即非常低的熱導率、極好的抗熱振性,很高的變形溫度和軟化溫度,很低的熱傳導能力,很低的介電損失和從紫外線(xiàn)到紅外線(xiàn)的極寬的光譜范圍內的光學(xué)透過(guò)能力。
力學(xué)性能：熔融石英是脆硬材料,其抗拉強度很低而抗壓強度很高,后者是前者的20倍。表1-1給出了 融石英的力學(xué)性能數據。熔融石英性能測試與試樣的內在質(zhì)量和表面狀態(tài)關(guān)系密切,一些缺陷和表面粗糙度對測試結果都會(huì )有很大影響。
 熱學(xué)性能：(1)熔融石英的線(xiàn)膨脹系數比所有材料的線(xiàn)膨脹系數都低,經(jīng)過(guò)摻雜的恪融石英甚至可以達到零膨脹。而且透明煉融石英與不透明熔融石英的線(xiàn)膨脹系數相差很少。(2)由于熔融石英具有極低的線(xiàn)膨脹系數,故其有著(zhù)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來(lái)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(méi)有固定融點(diǎn)。一般在不同溫度下的黏度值來(lái)表征其熱加工性能和應用性能。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。當加熱到1400℃-1500℃時(shí),黏度達到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晶相的過(guò)程。溫度越高結晶前沿的擴展速度就越快。
光學(xué)性能：熔融石英與普通玻璃的一個(gè)重要區別是它在整個(gè)光譜內的良好透過(guò)性,尤其在紫外線(xiàn)光譜內的透過(guò)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(chǎng)強度,很低的介電損失和很低的導電性。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械應力的場(chǎng)合更為適用。
化學(xué)性能：熔融石英是化學(xué)穩定性非常好的材料,與水、鹽融液和大多數酸都不發(fā)生反應。相對于普通玻璃而言,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。
3 熔融石英的應用
(1)在電光源行業(yè)中的應用：電光源是將電能轉化為光能的器件,廣泛用于日常照明、工農業(yè)生產(chǎn)、國防和科研等方面。溶融石英電光源主要產(chǎn)品包括低強度的節能燈、殺菌燈以及高強度的萊燈、鈉燈、金屬齒化物燈等,除此之外還包括紅外線(xiàn)燈、紫外線(xiàn)殺菌燈等。殺菌燈主要用于醫療衛生、飲食行業(yè)。
(2)在光纖行業(yè)中的應用:熔融石英材料是生產(chǎn)光纖預制棒和光纖生產(chǎn)過(guò)程中主要的輔助配套材料,沒(méi)有質(zhì)量?jì)?yōu)異的原材料就無(wú)法生產(chǎn)出質(zhì)量穩定的光纖產(chǎn)品,從而無(wú)法進(jìn)行規?；a(chǎn)。高純熔融石英基管是MCVD、PCVD及其衍生工藝技術(shù)中重要的原材料之一,它有嚴格的尺寸和純度要求,在光纖制造過(guò)程作為新層的沉積基管,要求為光導級,由此可見(jiàn)對材料的純度和內在質(zhì)量要求很高。熔融石英材料是光纖預制棒的重要基礎材料,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(guò)程,目前我國的部分光纖用石英玻璃制品已達到了一定的水平,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、半導體行業(yè)中的應用:我國電子信息、半導體制造發(fā)展迅速,與此同時(shí)對關(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:在對單晶掛片進(jìn)行摻雜、擴散、氧化、退火等關(guān)鍵工序中使用的煉融石英擴散管;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)中的應用:由于熔融石英的各項優(yōu)良性能,所以在各種光學(xué)系統中、高、低溫光譜測試系統中,廣泛用作透鏡、棱鏡、照相機鏡頭、天文望遠鏡等。因熔融石英的高透過(guò)和耐高溫性能而廣泛用于工業(yè)蜜爐、鍋爐及其他高溫場(chǎng)合的高溫觀(guān)測窗口。在激光技術(shù)方面,各類(lèi)石英光纖、濾紫外線(xiàn)石英玻璃等廣泛用于激光醫療、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)中的應用:熔融石英具有很低的熱膨脹系數和優(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7971熔融石英具有超低膨脹系數,在0-200℃范圍平均線(xiàn)性熱膨脹系數為零,熱穩定性特別好,密度低、剛度好、磨光性能好。用該類(lèi)熔融石英制作大型天文望遠鏡坯料,可制作直徑3.96m鏡坯。濾紫外線(xiàn)耐轄照擦融石英具有很好的抵御高能射線(xiàn)的能力,同時(shí)可以過(guò)濾紫外線(xiàn)以保護內部傳感器。煉融石英還可以作為結構件被用在太空飛船和航天飛機上。
(6)在其他行業(yè)中的應用:在雷達上作為超聲延遲玻璃,超聲信號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別移動(dòng)目標的雷達信號,并可測定移動(dòng)目標方位,具有現實(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)設備的理想材料。實(shí)驗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(guān)察窗以觀(guān)察爐內熔化情況?？傻钟?00℃的溫差。另外熔融石英具有熱膨脹系數極低、化學(xué)穩定性極好的特點(diǎn),因此可用來(lái)制造精密儀器,如:波長(cháng)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(zhù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展,其運用前景必將更廣闊。
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