高純石英作為原材料被廣泛的應用于包括太陽能、航天航空、光纖通訊、光學儀器等在內的高科技行業。這些行業對Si02的純度要求必須高于99.9%。過去只能使用天然水晶經簡單加工來滿足工業需要,隨著科學技術進步,高純石英的需求成倍增長,但水晶資源己日漸枯竭。因此,尋求替代水晶來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量已達五萬噸,不透明石英玻璃制品年生產量達兩千余噸。通過引進技術和消化吸收,以及科研人員創新,一些新品種、新技術和新裝備不斷開發出來,如激光技術和特種光源用 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。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、透紫外線或紅外線熔融石英玻璃等。
熔融石英工業在近幾十年發展特別迅速,國內外各熔融石英企業為適應不同領域的需要開發了許多新品種。如德國HERAEUS公司開發的低經基熔融石英玻璃、粉料光學級擦融石英玻璃、合成光學級熔融石英玻璃以及不透明煉融石英玻璃。美國GEQUARTZ公司開發的用于紫外線殺菌燈的摻鐵管、用于特種電光源的摻鈰管以及具有超高純寬紫外線透過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形成規模,一些產品已經趕上國外先進水平,且由于成本低廉具有很強的競爭力。
2 熔融石英的性能
熔融石英突出的優越性是其具有其他材料所沒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到紅外線的極寬的光譜范圍內的光學透過能力。
力學性能：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 融石英的力學性能數據。熔融石英性能測試與試樣的內在質量和表面狀態關系密切,一些缺陷和表面粗糙度對測試結果都會有很大影響。
 熱學性能：(1)熔融石英的線膨脹系數比所有材料的線膨脹系數都低,經過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膨脹系數相差很少。(2)由于熔融石英具有極低的線膨脹系數,故其有著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℃水中不會炸裂。通常用經多次加熱水萍直到破碎的次數來衡量其抗熱振能力。(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,沒有固定融點。一般在不同溫度下的黏度值來表征其熱加工性能和應用性能。在煉融狀態下,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,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程。溫度越高結晶前沿的擴展速度就越快。
光學性能：熔融石英與普通玻璃的一個重要區別是它在整個光譜內的良好透過性,尤其在紫外線光譜內的透過性是一般光學玻璃不具備的,這取決于熔融石英的化學純度。
電學性能：熔融石英主要的電學特性是高的介電場強度,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合更為適用。
化學性能：熔融石英是化學穩定性非常好的材料,與水、鹽融液和大多數酸都不發生反應。相對于普通玻璃而言,熔融石英不惜濕,不風化。只有氧氟酸可腐蝕石英玻璃?；瘜W元素中的鋁、碳、鈣、鎂等在高溫下可與熔融石英發生反應。
3 熔融石英的應用
(1)在電光源行業中的應用：電光源是將電能轉化為光能的器件,廣泛用于日常照明、工農業生產、國防和科研等方面。溶融石英電光源主要產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燈、紫外線殺菌燈等。殺菌燈主要用于醫療衛生、飲食行業。
(2)在光纖行業中的應用:熔融石英材料是生產光纖預制棒和光纖生產過程中主要的輔助配套材料,沒有質量優異的原材料就無法生產出質量穩定的光纖產品,從而無法進行規?；a。高純熔融石英基管是MCVD、PCVD及其衍生工藝技術中重要的原材料之一,它有嚴格的尺寸和純度要求,在光纖制造過程作為新層的沉積基管,要求為光導級,由此可見對材料的純度和內在質量要求很高。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的全過程,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、半導體行業中的應用:我國電子信息、半導體制造發展迅速,與此同時對關鍵材料也提出了明確的要求,促進了相關產業的迅猛發展,熔融石英制造業成為電子信息、半導體、集成電路行業發展的受益者。因石英玻璃的高純度、耐高溫、低的熱膨脹等優良性能而被大量采用。如:在對單晶掛片進行摻雜、擴散、氧化、退火等關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)在光學行業中的應用:由于熔融石英的各項優良性能,所以在各種光學系統中、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和耐高溫性能而廣泛用于工業蜜爐、鍋爐及其他高溫場合的高溫觀測窗口。在激光技術方面,各類石英光纖、濾紫外線石英玻璃等廣泛用于激光醫療、工業激光加工、激光測距、傳感、儀器儀表等領域。
(5)在航空航天行業中的應用:熔融石英具有很低的熱膨脹系數和優良的耐輻照性能,因此,它在航空業有廣泛用途。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。濾紫外線耐轄照擦融石英具有很好的抵御高能射線的能力,同時可以過濾紫外線以保護內部傳感器。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目標的雷達信號,并可測定移動目標方位,具有現實意義。
在化工行業中,由于熔融石英具有耐酸、耐高溫、化學純度高等特性,是一些化工生產設備的理想材料。實驗室精餾水制取也一般采用石英玻璃精餾塔。在冶煉行業中,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。工業密爐上,熔融石英通常被作為高溫觀察窗以觀察爐內熔化情況?？傻钟?00℃的溫差。另外熔融石英具有熱膨脹系數極低、化學穩定性極好的特點,因此可用來制造精密儀器,如:波長表、干涉儀、重力儀、陀螺儀等高精儀器。
總之, 熔融石英由于其優越的性能,被廣泛用于各行業。隨著科學技術發展,其運用前景必將更廣闊。
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