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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、光學石英玻璃、半導體用石英玻璃、電光源用石英玻璃等。人們習慣于用“石英”這樣一個簡單的詞匯來命名這種材料，這是絕對不妥的，因為“石英”是二氧化硅結晶態的一種通稱，它與玻璃態二氧化硅在理化性質上是有區別的。

1.純度

　　純度是石英玻璃的重要指標，對理化性能和使用性能影響甚大，如失透性、高溫強度、軟化點、光的傳導、熱穩定性、化學穩定性、耐輻射性、熒光特性等；此外，用于半導體工業的石英玻璃，對純度的要求更為苛刻，微量的雜質將給半導體材料的電性能和壽命以及集成度帶來嚴重的影響。由于半導體材料的純度要求控制在ppb數量級以下，因此石英玻璃則應控制在PPm數量級以適應半導體工業的需要。B的分凝系數近于1,難除掉，是有害的雜質之一，Cu、Fe、Ti等影響半導體的少子壽命，K、Na、Li是單晶材料產生微缺陷的有害雜質。本公司為半導體工業服務已有40余年的歷史，并始終致力于去除上述有害雜質的研制工作。

2.失透性

　　失透（又叫析晶性）是石英玻璃的一個固有缺陷，從熱力學觀點看，石英玻璃的內能高于結晶態方石英，屬熱力學上不穩定的亞穩態，當溫度高于1000℃時，SiO2 分子振動加速，經一段較長時間的重新排列、定向便形成結晶。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℃析晶速度分別達到大值。

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

　　由于石英玻璃的熱膨脹系數和比重同析晶產物β-方石英相近，所以在高溫下連續使用時，盡管析晶區不斷擴大，但體積變化并不明顯，仍可滿意地繼續使用，此時尚可減輕玻璃的塑性變形，使耐火度提高。當析晶產物冷卻到800℃時，則出現細小的龜裂網絡。繼續冷卻到200-275℃時，則出現方石英從高溫型到低溫型（即β-方石英→a-方石英）的結構變化，并伴隨著發生體積聚變，如果析晶層很深，則石英玻璃亦隨之破裂。由于析晶常常出現在有雜質的地方，所以高溫使用前的表面狀態及周圍耐火材料、氣氛十分重要。有關使用石英玻璃時注意事項后面還要介紹。

3.化學性能

　　石英玻璃屬酸性材料，除氫氟酸和熱磷酸外，對其它任何酸均表現為惰性，是好的耐酸材料。在常溫下堿和鹽對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穩定性，這是因為后者由于氣泡的存在暴露在腐蝕液中的表面積增加所致。

4.離子擴散及透氣性

　　石英玻璃的結構十分松弛，甚至在高溫下還允許某些氣體的離子通過網絡進行擴散，其中以鈉離子的擴散快。石英玻璃的這一性能對于使用者尤為重要，例如，半導體工業用石英玻璃作為高溫容器或擴散管時，由于半導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先經過高溫和清潔處理，除掉鉀、鈉等堿性雜質，然后才能放入石英玻璃內使用。

5.電學性能

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

6.光學性能

　　石英玻璃的光學性能有其獨到之處，它既可以透過遠紫外光譜，是所有透紫外材料優者，又可透過可見光和近紅外光譜。用戶可以根據需要，從185-3500mμ波段范圍內任意選擇所需品種。由于石英玻璃耐高溫，熱膨脹系數小，化學熱穩定性好，氣泡、條紋、均勻性、雙折射又可與一般光學玻璃媲美，所以它是在各種惡劣場合下工作具有高穩定度光學系統的必不可少的光學材料。

　　石英玻璃的結構，雜質含量，OH基因及NO、CO等含量是影響光譜透過率的主要因素，氧原子結合不良在0.24μ處則有吸收峰，含有OH基團的石英玻璃，在2.7μ處由于分子振動將產生明顯的吸收峰，紫外透過率低主要是由于金屬雜質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，由于氧結構缺陷，在0.24μ處有吸收峰，同時含有OH基團，所以紅外透過低。用合成原料氣煉的高純光學石英玻璃是好的透紫外材料，但在2.7μ處有嚴重的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石英玻璃，才能很好地透過從遠紫外到近紅外的連續光譜。

7.熱學性能

　　石英玻璃的熱膨脹系數小，為5.5×10-7/℃，只有普通玻璃的1/12～1/20.部標準規定將試樣灼燒到1200℃后急速投到冷水中，反復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的材料，在激光技術、天文和尖端技術中已得到應用。

8.機械性能

　　石英玻璃的機械性能比硬質玻璃和陶瓷都好，唯脆性較差。石英玻璃的理論計算強度很高，約為24×103MPa，但實際測得的強度要比這個數值低數十倍。影響強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，細磨的石英玻璃試樣比粗磨的試樣，其抗折強度約增加0.6倍；其次是內在缺陷，例如，氣泡、雜質、熔化不均以及殘余應力等。

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

　　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。