石英玻璃

合成石英锭光学石英玻璃简述石英玻璃是由纯净的天然水晶、石英石（包括脉石英、石英砂）或人工合成原料经熔化而制得。自然界中的石英，从地壳表面往下十六公里，几乎有65％，普通形状为细小的无规则颗粒。水晶是无色透明结晶完整的石英，是β－石英的变体。一、结构1.非晶态SiO2呈四面体排列。2.三个基本的原子间距分别为：Si-O1.62Å，O-O2.65Å，Si-Si3.12Å；Si-O-Si键角分布中最大值为1440±10％。石英玻璃方石英二、性能1.纯度：a.透明石英玻璃：气炼石英玻璃：SiO299.97％以上；SiCl4直接气炼石英玻璃：SiO299.9999％以上；高纯石英玻璃：SiO299.999％以上。b.不透明石英玻璃：SiO299.5％以上。2.电学性质：石英玻璃是一种优良的绝缘材料，在高温下仍能保持很高的介电强度和电阻，而且几乎没有损耗，（OH）－和杂质将使介电强度降低，tanδ增加。石英玻璃的介电强度和介电损耗(50Hz)电性能温度（℃）透明石英玻璃不透明石英玻璃介电损耗tanδ200.00030.001介电强度20032253.热学性质：a.耐温性：石英玻璃的耐高温性能，远远超过任何一种玻璃。T熔＝1713℃，T软＝1580℃±10℃，T退火＝1140℃±10℃。短时间可在1450℃高温下使用，常可在1000℃以上、不透明则在900℃使用。b.热膨胀系数：石英玻璃的膨胀系数极小，α～5×10－7℃－1，为平板玻璃的1/14，其原因是石英玻璃的结构类似于方石英相（立方），没有低温变体的锯齿形特征，同时Si－O键较强。石英玻璃的膨胀系数温度（℃）10020030040050060070080010001200α×10－75.105.586.276.356.126.005.715.625.565.42石英玻璃的膨胀系数曲线c.比热和导热系数：石英玻璃的比热和导热系数随温度的升高而增大。石英玻璃不同温度的比热石英玻璃的导热系数λ温度（℃）平均比热温度（℃）导热系数1000.185透明石英玻璃不透明石英玻璃2000.200200.003310.002974000.2332000.003940.003866000.2544000.004470.004538000.2606000.004840.0050310000.2648000.005140.0053412000.27010000.005470.0055012000.005810.005694.机械性质石英玻璃由单组元硅氧四面体组成网络骨架，硅氧键键强很大，结构紧密，机械强度很高，为普通玻璃的2～3倍；网络中没有间隙离子填充，故密度小。原料纯度（杂质）、种类、产品气泡、羟基（OH-）含量、熔化不均匀等影响强度。透明石英玻璃密度：D＝2.20～2.21g/cm3；不透明石英玻璃密度：D′＝2.02～2.18g/cm3；P抗张～60MPa；P抗弯～110MPa；P抗压～640MPa；维氏硬度：700Kp/mm2；莫氏硬度：6级；泊松比：0.17石英玻璃的杨氏模量曲线5.光学性质a.石英玻璃在紫外（吸收限低于160nm）到近红外区域内有较高的透过率；Si－O振动的谐振波长为4.45μm（4450nm），截止长波透射；若有（OH－）存在，则波长在2.73μm（2730nm）和1.38μm（1380nm）处有吸收带；（OH－）与Si－O振动相互作用的吸收带为2.22μm（2220nm）。b.石英玻璃受到Χ射线和γ射线时，产生如下吸收峰：2150Å吸收峰：由石英玻璃本质造成的；2950Å吸收峰：由金属杂质铝（Al）、锗（Ge）引起的；5500Å吸收峰：由缺氧造成的；电熔透明石英玻璃用Co60照射易变黑。三、制备方法1.电熔法：石英原料在真空（5×10－2mmHg）或低压惰性（N2）介质中电熔。2.气炼法：采用氢氧焰或其它碳氢化物（乙炔）可燃气体产生高热来熔化物料。3.SiCl4蒸汽水解法：将四氯化硅蒸汽由氢气携带通入氢氧喷灯火焰中，生成二氧化硅及氯化氢，氯化氢气体随烟气逸出，而二氧化硅则沉积。4.高频感应等离子炬熔融法：由高频电磁场的感应耦合作用而产生等离子体灯炬，内核温度高达15000K，熔化物料。5.凝胶法：将多孔（50～80Å）凝胶成形后在250℃下真空处理，排出H2O，通过热处理排除有机物，1000℃下加热消除气孔，形成石英玻璃。石英灯头四、石英玻璃的用途1.半导体材料及器件的坩埚；2.新型光源：激光脉冲氙灯、紫外杀菌灯、碘钨灯、聚光灯等的灯管；3.光学精密仪器用的棱镜、透镜、比色皿、天文反射镜、红外观察窗、超声延迟线玻璃；4.在化学工业中，制备铂、铑等稀有金属的容器和生产SiCl4的蒸发皿。五、石英玻璃新品种1.高纯石英玻璃：SiO2六个九～七个九，光谱仪、分光光度计、荧光计零件；2.石英纤维和石英棉：宇宙飞船防热罩、太阳能电池遮盖材料、光通讯用光导纤维；3.低膨胀石英玻璃：（加入钛等）原子钟腔体，宇宙飞行器窥窗；4.吸收紫外线石英玻璃：（加入Cr、V、Ni、Co、Mn、Cu）杀菌（医、食）石英玻璃、日光（坑道采光）石英玻璃；5.荧光石英玻璃：分析蛋白质的化学组成，食品、药物、塑料等的检测；6.石英陶瓷：石英玻璃废料经粉碎、成型、烧结而成；7.乳白石英玻璃：（4～8μm、11μm后有较强的选择反射光谱带）远红外辐射电加热器材料。乳白石英玻璃不透明石英玻璃石英坩埚石英陶瓷