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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，以及沒有明確概念的透明、半透明、不透明石英等。我國統(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)簡單的詞匯來命名這種材料，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速度來表示的，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，它既可以透過遠(yuǎn)紫外光譜，是所有透紫外材料優(yōu)者，又可透過可見光和近紅外光譜。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電熔或無氫火焰熔融而成的光學(xué)石英玻璃，才能很好地透過從遠(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。