第一章石英玻璃

1、 第一章第一章 石英玻璃石英玻璃 石英玻璃石英玻璃是由純凈的天然水晶、石英石（包括脈是由純凈的天然水晶、石英石（包括脈石英、石英砂）或人工合成原料經(jīng)熔化而制得。石英、石英砂）或人工合成原料經(jīng)熔化而制得。 自然界中的石英，從地殼表面往下自然界中的石英，從地殼表面往下十六十六公里，幾公里，幾乎有乎有65，普通形狀為細(xì)小的無規(guī)則顆粒。，普通形狀為細(xì)小的無規(guī)則顆粒。 水晶水晶是無色透明結(jié)晶完整的石英，是是無色透明結(jié)晶完整的石英，是石英的石英的變體。變體。一、結(jié)構(gòu)：一、結(jié)構(gòu)：1. 非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2呈四面體排列，其基本結(jié)構(gòu)特征都為呈四面體排列，其基本結(jié)構(gòu)特征都為SiO44-排列。排列。 三個基本的原子

2、間距分別為：三個基本的原子間距分別為：Si-O 1.62，O-O 2.65，Si-Si 3.12；Si-O-Si鍵角分布中最大值為鍵角分布中最大值為144010。2. 晶態(tài)與非晶態(tài)晶態(tài)與非晶態(tài)SiO2的異同：的異同：a. 同：同：石英、方石英、鱗石英和石英玻璃中石英、方石英、鱗石英和石英玻璃中SiO44-四面四面 體幾乎總是以體幾乎總是以頂角相連頂角相連。 異異：在纖維狀的晶態(tài)：在纖維狀的晶態(tài)SiO2變體中變體中SiO44-以以共棱相連共棱相連； 在高壓晶相石英中在高壓晶相石英中SiO44-以以八面體八面體SiO68-出現(xiàn)。出現(xiàn)。b. 同：同：石英玻璃與方石英最為相似，石英玻璃與方石英最為相似

3、，SiO2方石英方石英 SiO2玻璃玻璃， 熔融熵僅為熔融熵僅為1cal/mol。 異：異：晶態(tài)：晶態(tài)：排列有序；排列有序；非晶態(tài)：非晶態(tài)：近程有序，遠(yuǎn)程無序。近程有序，遠(yuǎn)程無序。 c. 紫外光電子能譜和電子能量損耗譜（紫外光電子能譜和電子能量損耗譜（ELS）表明：晶態(tài)）表明：晶態(tài)與非晶態(tài)與非晶態(tài)SiO2光吸收和反射數(shù)據(jù)，其電子躍遷均在四面光吸收和反射數(shù)據(jù)，其電子躍遷均在四面體內(nèi)部進(jìn)行。體內(nèi)部進(jìn)行。 石英玻璃石英玻璃 方石英方石英二、性能：二、性能：1. 純度：純度：a. 透明石英玻璃：透明石英玻璃： 氣煉石英玻璃：氣煉石英玻璃：SiO2 99.97以上；以上； SiCl4直接氣煉石英玻璃：直

4、接氣煉石英玻璃：SiO2 99.9999以上；以上； 高純石英玻璃：高純石英玻璃：SiO2 99.999以上。以上。b. 不透明石英玻璃：不透明石英玻璃：SiO2 99.5以上。以上。2. 電學(xué)性質(zhì)：電學(xué)性質(zhì)： 石英玻璃是一種優(yōu)良的絕緣材料，在高溫下仍能保持很高的介石英玻璃是一種優(yōu)良的絕緣材料，在高溫下仍能保持很高的介電強(qiáng)度和電阻，而且?guī)缀鯖]有損耗，（電強(qiáng)度和電阻，而且?guī)缀鯖]有損耗，（OH）和雜質(zhì)將使介電強(qiáng)度和雜質(zhì)將使介電強(qiáng)度降低，降低， tan增加。增加。 石英玻璃的介電強(qiáng)度和介電損耗石英玻璃的介電強(qiáng)度和介電損耗(50Hz ) 電性能電性能 溫度（溫度（） 透明石英玻璃透明石英玻璃 不透明石

5、英玻璃不透明石英玻璃介電損耗介電損耗tan 20 0.0003 0.001介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度 200 32 25 石英玻璃的介電常數(shù)曲線石英玻璃的介電常數(shù)曲線 石英玻璃的電導(dǎo)率曲線石英玻璃的電導(dǎo)率曲線 石英玻璃的電阻率曲線石英玻璃的電阻率曲線 3. 熱學(xué)性質(zhì)：熱學(xué)性質(zhì)：a. 耐溫性：耐溫性： 石英玻璃的耐高溫性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一種玻璃。石英玻璃的耐高溫性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一種玻璃。 T熔熔1713，T軟軟158010，T退火退火1140 10。 短時間可在短時間可在1450高溫下使用，常可在高溫下使用，?？稍?000以上、不透明則在以上、不透明則在 900使用。使用。b. 熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)：

6、 石英玻璃的膨脹系數(shù)極小，石英玻璃的膨脹系數(shù)極小，5 51071，為平板玻璃的，為平板玻璃的1/14，其，其原因原因是石英玻璃的結(jié)構(gòu)類似于方石英相（立方），沒有低溫是石英玻璃的結(jié)構(gòu)類似于方石英相（立方），沒有低溫變體的鋸齒形特征，同時變體的鋸齒形特征，同時SiO鍵較強(qiáng)。鍵較強(qiáng)。石英玻璃的膨脹系數(shù)石英玻璃的膨脹系數(shù)溫度（溫度（）100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200107 5.10 5.58 6.27 6.35 6.12 6.00 5.71 5.62 5.56 5.42 石英玻璃的膨脹系數(shù)曲線石英玻璃的膨脹系數(shù)曲線 c. 比熱和導(dǎo)熱系數(shù)：比熱和導(dǎo)熱系數(shù)

7、：石英玻璃的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。石英玻璃的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。石英玻璃不同溫度的比熱石英玻璃不同溫度的比熱 石英玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)石英玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)溫度（溫度（）平均比熱）平均比熱 溫度（溫度（） 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 100 0.185 透明石英玻璃透明石英玻璃 不透明石英玻璃不透明石英玻璃 200 0.200 20 0.00331 0.00297 400 0.233 200 0.00394 0.00386 600 0.254 400 0.00447 0.00453 800 0.260 600 0.00484 0.00503 1000 0.264 800 0.00514

8、0.00534 1200 0.270 1000 0.00547 0.00550 1200 0.00581 0.00569d. 粘度：粘度： 石英玻璃的石英玻璃的粘度粘度隨隨羥基羥基（OH）和）和雜質(zhì)雜質(zhì)含量的增加而降低，含量的增加而降低，粘度大，溫度范圍窄。粘度大，溫度范圍窄。 四氯化硅（四氯化硅（SiCl4）合成用氫氧焰熔融比電爐真空熔融的石英）合成用氫氧焰熔融比電爐真空熔融的石英玻璃玻璃軟化點(diǎn)軟化點(diǎn)低近低近100； 水晶原料用氫氧焰熔融法比電爐真空熔融法的石英玻璃水晶原料用氫氧焰熔融法比電爐真空熔融法的石英玻璃軟化點(diǎn)軟化點(diǎn)低低2050。 石英玻璃在不同溫度下的粘度石英玻璃在不同溫度下的粘度

9、溫度（溫度（） 1200 1400 1600 1800 2000 2100 lg（泊）（泊） 12.4 10.0 7.6 5.7 4.5 3.84. 機(jī)械性質(zhì)：機(jī)械性質(zhì)： 石英玻璃由單組元硅氧四面體組成網(wǎng)絡(luò)骨架，硅氧鍵鍵強(qiáng)石英玻璃由單組元硅氧四面體組成網(wǎng)絡(luò)骨架，硅氧鍵鍵強(qiáng)很大，結(jié)構(gòu)緊密，很大，結(jié)構(gòu)緊密，機(jī)械強(qiáng)度很高機(jī)械強(qiáng)度很高，為普通玻璃的，為普通玻璃的23倍；網(wǎng)絡(luò)倍；網(wǎng)絡(luò)中沒有間隙離子填充，故中沒有間隙離子填充，故密度小密度小。 原料純度（原料純度（雜質(zhì)雜質(zhì)）、種類、產(chǎn)品氣泡、）、種類、產(chǎn)品氣泡、羥基羥基（OH -）含）含量、熔化不均勻等影響強(qiáng)度。量、熔化不均勻等影響強(qiáng)度。透明石英玻璃透明石

10、英玻璃密度密度：D2.202.21g/cm3；不透明石英玻璃不透明石英玻璃密度密度：D2.022.18g/cm3；P抗張抗張60MPa；P抗彎抗彎110MPa；P抗壓抗壓640MPa ；維氏硬度：維氏硬度：700Kp/mm2；莫氏硬度：莫氏硬度：6級；級；泊松比：泊松比：0.17 石英玻璃的楊氏模量曲線石英玻璃的楊氏模量曲線 石英玻璃的斷裂模量曲線石英玻璃的斷裂模量曲線 5. 光學(xué)性質(zhì)：光學(xué)性質(zhì)： a. 石英玻璃在紫外（吸收限低于石英玻璃在紫外（吸收限低于160nm）到近紅外區(qū)域內(nèi)有較）到近紅外區(qū)域內(nèi)有較高的透過率；高的透過率；SiO振動的諧振波長為振動的諧振波長為4.45m（4450nm），

11、），截止長波透射；截止長波透射； 若有若有（OH）存在，則波長在存在，則波長在2.73 m （2730nm）和）和1.38 m （1380nm）處有吸收帶；）處有吸收帶；（OH）與）與SiO振動相振動相互作用的吸收帶為互作用的吸收帶為2.22 m（2220nm）。）。b. 石英玻璃受到石英玻璃受到射線和射線和射線時，產(chǎn)生如下吸收峰：射線時，產(chǎn)生如下吸收峰：2150 吸收峰：由石英玻璃本質(zhì)造成的；吸收峰：由石英玻璃本質(zhì)造成的；2950 吸收峰：由金屬雜質(zhì)鋁（吸收峰：由金屬雜質(zhì)鋁（Al）、鍺（）、鍺（Ge）引起的；）引起的；5500 吸收峰：由缺氧造成的；吸收峰：由缺氧造成的；電熔透明石英玻璃用電

12、熔透明石英玻璃用Co60照射易變黑。照射易變黑。 石英玻璃的石英玻璃的GE光譜曲線光譜曲線 石英玻璃的折射率曲線石英玻璃的折射率曲線 石英玻璃的內(nèi)部衰減曲線石英玻璃的內(nèi)部衰減曲線 三、制備方法：三、制備方法：1. 電熔法：電熔法：石英原料在石英原料在真空真空（5102mmHg）或）或低壓惰性低壓惰性（N2） 介質(zhì)介質(zhì)中電熔。中電熔。2. 氣煉法：氣煉法：采用采用氫氧焰氫氧焰或其它或其它碳?xì)浠锾細(xì)浠铮ㄒ胰玻┛扇細(xì)怏w產(chǎn)生高熱（乙炔）可燃?xì)怏w產(chǎn)生高熱 來熔化物料。來熔化物料。3. SiCl4蒸汽水解法：蒸汽水解法：將四氯化硅蒸汽由氫氣攜帶通入將四氯化硅蒸汽由氫氣攜帶通入氫氧噴燈氫氧噴燈火焰火焰

13、中，生成二氧化硅及氯化氫，氯化氫氣體隨煙氣逸出，中，生成二氧化硅及氯化氫，氯化氫氣體隨煙氣逸出， 而二氧化硅則沉積。而二氧化硅則沉積。4. 高頻感應(yīng)等離子炬熔融法：高頻感應(yīng)等離子炬熔融法：由高頻電磁場的感應(yīng)耦合作用而產(chǎn)生由高頻電磁場的感應(yīng)耦合作用而產(chǎn)生 等離子體燈炬等離子體燈炬，內(nèi)核溫度高達(dá)，內(nèi)核溫度高達(dá)15000K，熔化物料。，熔化物料。5. 凝膠法：凝膠法：將多孔（將多孔（5080 ）凝膠成形后在）凝膠成形后在250下真空處下真空處 理理，排出，排出H2O，通過熱處理排除有機(jī)物，通過熱處理排除有機(jī)物，1000下加熱下加熱 消除氣孔，形成石英玻璃。消除氣孔，形成石英玻璃。 石英燈頭石英燈頭

14、四、石英玻璃的用途：四、石英玻璃的用途：1. 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料及器件的坩堝；及器件的坩堝；2. 新型光源新型光源：激光脈沖氙燈、紫外殺菌燈、碘鎢燈、：激光脈沖氙燈、紫外殺菌燈、碘鎢燈、聚光燈等的燈管；聚光燈等的燈管；3. 光學(xué)精密儀器光學(xué)精密儀器用的棱鏡、透鏡、比色皿、天文反射用的棱鏡、透鏡、比色皿、天文反射鏡、紅外觀察窗、超聲延遲線玻璃；鏡、紅外觀察窗、超聲延遲線玻璃；4. 在在化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)中，制備鉑、銠等稀有金屬的容器和生中，制備鉑、銠等稀有金屬的容器和生產(chǎn)產(chǎn)SiCl4的蒸發(fā)皿。的蒸發(fā)皿。五、石英玻璃新品種：五、石英玻璃新品種：1. 高純石英玻璃：高純石英玻璃：SiO2六個九七個九

15、，光譜儀、分光光度計(jì)、六個九七個九，光譜儀、分光光度計(jì)、 熒光計(jì)零件；熒光計(jì)零件；2. 石英纖維和石英棉：石英纖維和石英棉：（325 m）宇宙飛船防熱罩、太）宇宙飛船防熱罩、太 陽能電池遮蓋材料、陽能電池遮蓋材料、 光通訊用光導(dǎo)纖維；光通訊用光導(dǎo)纖維；3. 低膨脹石英玻璃：低膨脹石英玻璃：（加入鈦等，可使（加入鈦等，可使0）原子鐘腔體，宇宙）原子鐘腔體，宇宙 飛行器窺窗；飛行器窺窗；4. 吸收紫外線石英玻璃：吸收紫外線石英玻璃：（加入（加入Cr、V、Ni、Co、Mn、Cu） 殺菌（醫(yī)、食）石英玻璃、日光（坑道采光）石英玻璃；殺菌（醫(yī)、食）石英玻璃、日光（坑道采光）石英玻璃；5. 熒光石英玻璃：熒光石英玻璃：分析蛋白質(zhì)的化學(xué)組成，食品、藥物、塑料等分析蛋白質(zhì)的化學(xué)組成，食品、藥物、塑料等 的檢測；的檢測；6. 石英陶瓷：石英陶瓷：石英玻璃廢料經(jīng)粉碎、成型、燒結(jié)而成；石英玻璃廢料經(jīng)粉碎、成型、燒結(jié)而成；7. 乳白石英玻璃：乳白石英玻璃：（48 m、11