2019年1月3日上午10點26分，嫦娥四號實現了人類探測器首次月背軟著陸、首次月背與地球的中繼通信，開啟了人類月球探測新篇章。
　　嫦娥四號歷經26天飛行成功著陸，離不開太陽敏感器（用于航天器軌道控制和姿態控制），而作為太陽敏感器關鍵材料—中國建材總院石英院研制的耐輻照石英玻璃更是功不可沒。
 

▲耐輻照石英玻璃

 
　　石英玻璃被譽為玻璃材料中的“皇冠”，是一種以SiO2為單組分的玻璃，具有超強的機械力學性能、熱性能、光學性能和電學性能。在半導體、光學器件、光通訊、太陽能等行業中，發揮著不可替代的作用。高純石英砂是目前取代水晶礦，熔煉石英玻璃的主要原材料。
 
1、石英玻璃的種類
 
　　根據熔煉工藝的不同，商業化石英玻璃主要分以下四類：
 
（1）真空氣氛下電熔工藝，原料使用高純石英砂（40目~80目）。羥基含量?。?ppmw~10ppmw），但相對來說，氣泡與金屬雜質含量高，Al（30ppmw~100ppmw），Na（4ppmw）。商用品名有Infrasil，G.E.105，201，204。

（2）氣煉工藝，以氫氣或其他含氫燃料與氧氣作為能源熔制石英玻璃，原料使用高純石英砂（100目~200目）。熔煉過程中金屬污染少，氣泡少，但由于氫氧氣氛下，羥基含150ppmw~400ppmw。商用品名有Herasil，Homosil，Optosil，G.E.104。
 
（3）火焰水解合成石英玻璃（CVD），SiCl4噴入氫氧焰中水解?；緵]有金屬雜質，但含有偏高的羥基（1000ppmw）和Cl（100ppmw）。商用品名SuprasilS，Spectrosil，Corning7940。
 
（4）合成石英玻璃（PCVD），無水的等離子焰中水解SiCl4。與第三種類似但羥基只有0.4ppmw，Cl為200ppmw。商用品名SuprasilW，SpectrosilWF，Corning7943。

2、石英玻璃的性能及用途

（1）熱學性能方面，石英玻璃的耐高溫變形、抗熱振性能好。其軟化點（1665℃）與鉑的熔點接近；平均線膨脹系數很低（α=5.4×10-7/℃），僅僅為普通玻璃的1/10~1/20，就是在高溫下迅速投入冷水中，也不會碎裂。
 
石英玻璃以其優良的熱學性能廣泛應用于提煉單晶硅和多晶硅，用其制成的石英坩堝能承受晶圓加工中退火等快速熱處理工藝的壓力，是光伏產業和半導體產業中不可或缺的材料。

（2）化學性能方面，石英玻璃極不活潑，是良好的耐酸材料（氫氟酸除外），甚至在高溫下也不與酸反應。特別適合做高溫耐酸燃燒、冷卻裝置及酸性化學品的制備和儲藏裝置以及各種化學實驗玻璃器皿。
 
（3）光學性能方面，其對整個光譜都有良好的透光性，紫外線及紅外線范圍內光學高透過率是一般光學玻璃所不具備的，可以作為各種光學設備的棱鏡和透鏡；高溫作業、反應堆窗口；光通訊領域中的光纖和光電器件；利用了其對光的高透射性，加上高溫穩定性和抗熱震性，使其在高溫燈管領域的廣泛應用，如紫外燈、紅外燈、水銀燈、氙氣燈和鹵素燈等的高溫燈管。
 
（4）電學應用中，石英玻璃是極好的絕緣材料，常溫下電阻值（1016Ωm）相當于普通玻璃（1014Ωm）的100倍，適合制造耐高溫的高頻高壓絕緣子。
 
3、雜質對石英玻璃制品的影響

　　石英玻璃綜合性能高，具有良好的熱學性能、光學性能、電學性能，但微量的雜質就能大大減低其性能。因此，控制石英玻璃中雜質的含量，提高石英玻璃的純度有利于提高石英玻璃的性能。而石英玻璃的純度直接取決于原料|—高純石英砂的純度，同時根據加工的條件、方法不同也會引入部分雜質。
 
（1）堿（堿土）金屬元素
 
　　石英玻璃里面的堿（堿土）金屬元素，能降低石英玻璃的機械強度、熱學性能和光學性能。特別是在石英玻璃高溫（>1000℃）應用中，堿（堿土）金屬雜質能起到助熔作用，形成結晶核心，使石英玻璃出現析晶失透、變形等不良現象。
 
（2）Al、B元素
 
　　微量Al的滲入即能降低石英玻璃高溫黏度，也能增強玻璃析晶作用，降低石英玻璃的應用性能。因此應控制石英玻璃中Al含量，一般要求Al含量需低于20ppmw，半導體和石英坩堝中更是要求低于10ppmw；多晶硅拉制單晶硅時，B元素超標對單晶硅的電阻起到巨大的影響。
 
（3）過渡金屬元素
 
　　過渡金屬元素Fe、Ni、Mn、Zn等取代Si，容易使石英玻璃產生色斑，光透率降低，還會破壞玻璃的絕緣性，對電器設備的穩定性造成較大影響。
 
（4）羥基
 
　　在石英玻璃熔煉過程中，水與SiO2反應，生成羥基（-OH），羥基含量的多少與熔煉氣氛密切相關。通常情況下，氫氧焰氣煉石英玻璃羥基含量較大（150~400ppmw），而真空電熔石英玻璃羥基僅為1~10ppmw。
　　羥基和堿金屬一樣能降低玻璃黏度，從而降低耐溫性；影響熱膨脹系數，降低熱震性；羥基會吸收紅外線，減少紅外線透過率；它的存在，還會增大石英玻璃的析晶率，從而，制品的高溫使用壽命降低。
 
（5）氣液包裹體
 
　　石英礦普遍存在的氣液包裹體是形成石英玻璃氣泡的主要因素，氣泡能劣化石英玻璃光學性能和力學強度。
　　石英熔體粘度高，是石英玻璃的優良特性，但熔煉石英玻璃時，這卻成了缺點。石英玻璃熔煉時，原料中的氣體包裹體形成氣泡，熔體升溫至1700℃，黏度仍高達105Pa·s，氣泡不易浮出。雖然繼續升溫，可降低石英熔體黏度，但加熱至1900℃后，石英汽化作用增快，大幅增加能耗并造成材料大量損失。
　　總之，不同領域對石英玻璃性能的要求和側重點不同，其對雜質種類和數量的限制要求也不同。燈管和光學行業中Al含量不能超過20ppmw，其他的金屬雜質應小于1ppmw，總雜質含量控制在30ppmw以內。半導體和石英坩堝對雜質含量要求更苛刻，Al含量應盡可能的少，一般小于10ppmw，其他金屬雜質小于0.1ppmw，總雜質含量控制在15ppmw以內。
 

石英及硅材料精細加工技術高級研修班
2019年3月23-25日 | 中國地質大學（北京）
 
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培訓咨詢

 
主要培訓內容：

石英礦工藝礦物學
硅質玉石的識別和鑒賞
石英礦物種類識別
石英產品及其應用指標
石英常規選礦技術與設備
高純石英精細提純與加工技術
石英粉表面改性技術與應用
石英砂生產線設計
高純石英礦物粉體材料的制備技術與應用
其他培訓內容

編輯整理：粉體技術網
 

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