1 在国民经济、国防中的作用 

石英玻璃是现代科学技术的重要新材料。为电光源、电子、激光和航天航空等高技术领域提供了大量关键材料。石英玻璃是最优秀的玻璃材料,号称玻璃之王。它具有优秀的耐高温特性,广泛用于第二代,第三代新型照明光源,每年使用石英玻璃2000吨,生产卤钨灯3亿只、汞灯1500万只,还用于制造氙灯,脉冲灯,原子光谱灯等现代科技不可缺少的光源;石英玻璃由纯二氧化硅组成,是电子工业不可缺少的高纯材料,生产硅单晶用的坩埚,集成电路制造用的扩散管及仪器器皿都是用石英玻璃制造的;熔石英玻璃微粉膨胀系数小,纯度高,强度大,是集成电路塑封料优选添加剂;石英玻璃具有极低的光谱损耗,是制造光导纤维的主导材料;石英玻璃具有从紫外到红外宽的透过区,耐急冷急热性能好,是航天航空无可替代的光学材料;军工配套用的石英玻璃纤维和掺杂石英玻璃以及冶金用的石英玻璃陶瓷、化工用的耐酸石英玻璃管道;等等,石英玻璃产品在国民经济和国防建设中发挥着重要的作用。

2概况

我国现有石英玻璃生产企业40余家,职工近万人,年产石英玻璃3000吨,产值3.5亿。共分4大类29个品种。电光源用普通石英玻璃管,稀土掺杂石英玻璃等达到国际先进水平。

我国石英玻璃行业有四个特点;一、企业小,高分散。国外石英玻璃生产集中在几个大的跨国公司手中,经济势力雄厚,工艺先进,产品质量好,生产规模大。我国全行业产值不足它们的十分之一。二、多数企业技术装备落后,低水平重复,产品等级低。三、生产能力严重过剩,无序竞争,价格下滑,多数企业亏损。四、技术人员缺乏,多数企业没有大学学历的技术人员。

石英玻璃产品从1985起由部管产品下放为地方管理,石英玻璃企业由计划经济进入市场竞争,经过十几年的优生劣汰,适者生存的竞争,技术进步很快,其速度远超过计划经济时期,缩小了国内和国外的差别,激烈的竞争,迫使企业加强管理,减少开支;降低生产成本,提高质量。无序竞争造成大批企业破产,大量投资损失,但破产的是没有发展前途的企业,损失的是低水平投资,而少数优秀企业脱颖而出,他们代表着石英玻璃行业的希望和前途。这是社会进步体现和必然结果。

石英玻璃行业形势良好表现在以下7个方面;一、企业规模扩大,数量减少。现在一家企业的产量超过1990年全行业的产量。二、质量大幅度提高,成本大幅下降,出口逐年增加是良好的证明。三、通过引进、合资,工艺装备水平大幅度提高,五、新产品不断增加。六、上缴国家税收大幅增加。七、一些私营、合资企业不需国家投资,取得了良好的经济效益和社会效益。

1998年石英玻璃产品统计表

种类用途产量(吨)产值(万元)     透明石英玻璃电光源200015000连熔石英玻璃管碘钨灯 产量2500吨      气炼石英玻璃管氙灯 产值15000万元      电熔石英玻璃管汞灯         无嗅氧石英玻璃管低压汞灯         低羟基石英玻璃管卤钨灯、汞灯         滤紫外石英玻璃管脉冲灯         掺铈石英玻璃管脉冲灯   电子40010000石英玻璃仪器           透明石英坩埚>__uw
        涂层石英坩埚5
        石英玻璃大管v
        石英玻璃棒E-~@K
        气炼石英玻璃砣     光学41000合成石英玻璃           气炼石英玻璃qH 8
        红外石英玻璃IT;
        耐辐照石英玻璃,xWLbT
        三七工程玻璃军用   其他50500水位计石英玻璃管           石英玻璃排气管S]
        飞机油位管军用         石英玻璃纤维 军用         石英玻璃棉保温材料 不透明石英玻璃电子400500乳白管红外加热器 产量1000吨  801000不透明坩埚单晶硅制造用 产值2000万元化工400500厚壁管化工管道     200240石英砖玻璃窑用 熔石英(微粉)电子80002000  集成电路用填料 产量8000吨         石英玻璃陶瓷 产值2000万元        耐火材料 石英玻璃陶瓷冶金4000 5000   连注用水口砖 产量4000吨yd3H
产值5000万元          

3技术进步点 1956石英玻璃技术被列入国家12年科技发展规划中。1957年中国建材院建立研究单位。研制开发了电熔石英玻璃,气炼石英玻璃,不透明石英玻璃系列产品。七十年代石英玻璃形成行业;八十年代引进了电弧坩埚,等离子制砣等先进技术,自主开发了气炼制砣技术,产品质量产量有了长足的发展;九十年代引进了国外先进的石英玻璃连熔技术,质量进一步提高,成本进一步降低,使石英玻璃产品在国民经济中发挥了越来越重要的作用。

3.1 采用连熔技术,产量、产值增长,质量提高。 (1) 我国70年代起开始研制石英玻璃连熔工艺,进展较慢。1991年从英国BG公司引进连熔炉,仿制、改进20多套。电光源用石英玻璃有了飞跃性的发展;从1990年到1998年,年销售量从500吨增加到2000吨;质量从以四级为主,上升到二、三级为主;平均生产成本从130元降低到40元。中低档产品技术指标已达到国外同类产品水平,每年出口300吨。 (2)由于采用连熔技术,乳白石英玻璃管的产量,从1990年的100吨上升到1996年的400吨;成本从每公斤80元降低到20元;质量达到出口标准,大批出口。 3.2 研制系列掺杂石英玻璃产品,满足国防需要。 中国建材院先后研制出,低膨胀石英玻璃、掺钛石英玻璃、掺铈石英玻璃、滤紫外石英玻璃、耐辐照石英玻璃和稀土掺杂光纤等系列产品,为国防建设,高新技术产业提供了关键材料。 3.3引进、仿制电弧离心坩埚生产线 锦州华新石英玻璃公司(原155厂)1987年从日本东芝陶瓷公司引进电弧法石英坩埚生产线,,1996年仿制了两条生产线,规格从8"扩大到16",年产量从2万只扩大到6万只。98产量80吨,产值200万。 3.4研制改进气炼制砣工艺 气炼打砣机1981年由北京605厂研制成功,中国建材院完善提高,部分指标达到国际先进水平,形成批量生产。生产的石英玻璃,为国防,激光,航天航空工业提供了关键材料,有少量出口。98产量15吨,产值300万。 3.5 自主研制出合成石英玻璃vn8
锦州155厂1966年研制成功用四氯化硅气相沉积工艺生产合成石英玻璃,解决了军工急需。后在上海石英玻璃厂完善提高,形成批量生产。98产量2吨,150万。 3.6引进等离子二步法工艺 北京605厂从法国引进二步法装备,等离子打砣机三台,无接触拉管设备,生产高质量石英玻璃管,主要用于光纤包皮管。98产量12吨,800万。 3.7合资生产石英玻璃仪器2
1995年沈阳优耐特石英公司与德国贺利氏合资生产石英玻璃仪器,产品质量,技术达到世界先进水平,大量出口。97产值2500万<k
石英玻璃原料的研究方向T
优质的原料是优质产品的基础,石英玻璃原料一直是石英玻璃行业急需解决的问题,在当前国外原料大量进口情况下,这个问题显得尤为重要。9
我国透明石英玻璃生产原料主要产自东海地区,其原矿品质较好,但生产设备和技术落后,造成产品质量差,八十年代起,石英玻璃行业就在呼吁统一原料开采,提高原料质量,但在原料加工方面没有突破性进展。由于原料质量问题,造成我国石英玻璃产品质量差,军工产品和出口产品成品率低,成本居高不下。九十年代,进口原料以质量优势,大批进口,国内原料生产企业大部分停产,这样的局面,对我国石英玻璃行业的发展是非常不利的。除了利润损失外,对我国高技术的发展及国防军工也非常不利,我们需要的特种原料无法保证,技术无法持续发展。为此,应该把发展自己的原料工业提高到战略的的高度来看。 研究内容: 1、加强基础研究。根据我国原矿特点和实际需求,建立石英玻璃原料的分析方法和分级标准。不能把优质原料和劣质原料混合使用,或用于生产低档产品。b
2、统一探矿,计划开采。重点支持效益好,质量好的原料厂,加强技术力量,规模经营,建立千吨级以上的各级原料库,提高原料的一致性。逐步扭转目前乱、散、小,个体开采的局面。 3、研究适合我国国情的石英玻璃原料提纯工艺,消除杂点,降低杂质含量。aP.
3、研究适合我国国情的石英玻璃原料提纯工艺,消除杂点,降低杂质含量。
31、消除原料中微量的云母和长石的研究。
32、降低金属离子含量的研究。用于电子工业用石英玻璃的生产。
33、原料中羟基的研究。用于电光源用高质量低羟基石英玻璃的生产。 4、深入研究硅石加工技术;在连熔技术的推动下,近几年,硅石替代水晶用于石英玻璃生产有了突破性进展。新兴了一批加工硅石的原料厂,扩大了原料来源,降低了成本,为我国电光源用石英玻璃降低成本,扩大出口创造了条件。但是这些原料厂缺少技术力量。急需加强科研指导,优化生产工艺,使之规范化。 关于玻璃成分中铝离子成分的作用说明
石英玻璃有透明和不透明石英玻璃两种,透明和不秀明石英玻璃是工业和科研使用的最有经济价值的材料。其制造(采用熔炼方法)所用的原料为水晶或高纯、超高纯石英砂(透明石英玻璃)和白色石英砂(不透明石英玻璃)。这两种原料都存在于自然界,它的成份为最纯的SiO2所组成。 石英玻璃和水晶具有相同的化学成份,但在结构上大不相同。一个是玻璃态,另一个是晶态。水晶经不起高温热冲击,它遇高温就会破裂并转化成其它晶体变态,而石英玻璃经得起极高温的冲击。制造透明石英玻璃和不透明石英玻璃要求在高温下进行,因为结晶SiO2在1713℃以上才能熔化。
2.3.1.石英玻璃概述
石英玻璃在国外已有160多年历史,1839年法国人首先用氢氧燃烧火焰熔化石英制造石英玻璃,1902年英国人用石墨棒通电获得高温(称为单棒电熔炉)制造石英玻璃,二十世纪40年代发明了电熔连熔炉,50年代随着半导体技术和新型电光源的发展(急需大量石英玻璃),石英玻璃才迅速发展起来。因为石英玻璃的生产技术难度大,直到目前能够大量生产石英玻璃的国家仅有美国、德国、法国、日本、英国、中国等少数国家。我国石英玻璃研究始于1957年,在中华人民共和国成立之前是空白。1956年国家制定12年科技发展规划,要求发展国防急需的57项重点研究任务,解决二弹一星用的新型高性能材料,为研究原子弹、导弹、人造卫星做好物质准备。石英玻璃是第26项和第40项任务书中指定要研究的内容,任务是下达给当时的国家建筑材料综合研究所。我国石英玻璃的发展大体可分为5个阶段:1957—1961年为开创阶段,以研究工艺制造方法为主;1962—1966年为形成产业阶段,在此期间完成很多军工任务,民品产量和质量也有很大提高,已初步形成产业;1978—1988年为改革创新时期,高新技术用石英玻璃,如:大规模集成电路用高纯耐高温石英玻璃管、高纯涂层坩埚、电弧法坩埚、光通信用石英玻璃、激光用石英玻璃等都是这一时期研究并大量生产的;1989—2000年为引进国外先进技术、技术创新、增加品种和产量等大发展时期,最为突出的是东海县发展成为电光源用石英玻璃生产基地,年产石英玻璃达6000吨(其中优质品2000余吨),质量极大的提高,成本几倍的下降,技术装备显著的改进。 40余年来,石英玻璃的发展速度比较快,以生产透明石英玻璃管为例:1975年产量172吨,31个工厂需要用60多台电阻炉生产,管子质量很差(相当于现在的废品管),现在2台连熔炉就可以年生产近200吨,到2000年,透明石英玻璃管的年产量达7000吨(其中优质产品达3500吨),25年增长了近40倍。 2.3.2.石英玻璃的性能
石英玻璃被人们称为“玻璃王”,因为它具有一系列特殊的物理、化学性能。它具有优良的耐高温性能,其熔点与白金(铂)的熔点相近。热膨胀率极小,在0—1000℃之间的平均华丽热膨胀系数α=5.4×10-7,相当于陶瓷的1/6,相当于普通玻璃的1/20,石英玻璃中掺入一定量的钛,可以制成膨胀系数接近零的超低膨胀石英玻璃。石英玻璃具有极佳的光谱特性,不仅可以透过可见光,而且可以透过红外线、紫外线。石英玻璃是良好的耐酸材料,相当耐酸陶瓷的30倍,相当于不锈钢(镍铬合金)的150倍。石英玻璃是极好的电绝缘材料,它的电阻值相当普通玻璃的1万倍。石英玻璃属脆性材料,耐压强度很好,但抗张强度要小一些,石英玻璃不耐氢氟酸,高温条件下(1000℃以上)会转变成方石英,这是它的二个缺点。石英玻璃可以制成高纯材料,合成石英玻璃金属离子总量仅为1ppm。石英玻璃的可贵之处在于它的综合性能好。例如:它耐高温而且膨胀系数小,把它烧红了投入水中不炸裂;它耐高温而且透明,是透明的耐火材料;它耐高温、透光性好、密闭性好,是新型电光源的最佳材料;它耐高温、高纯是制造集成电路的最佳材料??????等等。下面比较详细的介绍它的性能参数:
2.1.石英玻璃的化学成份
石英玻璃的化学成份是SiO2单一组份,通常也称为纯度。 1. 照明石英玻璃 美国GE公司产品Al<14ppm,Ca+Mg总量<0.5ppm,Fe<0.2ppm,K+Na+Li总量<2ppm,Ti<1ppm,Zr<0.8ppm,羟基含量分为二种,<1ppm和<5ppm。中国照明用石英玻璃按行业标准:Al、Ca、Mg、Ti、Fe五种元素,优等品<50ppm,一等品<70ppm,合格品<1000ppm,羟基含量优等品<3ppm,一等品<5ppm,合格品<10ppm。根据最新信息,脱羟与原料纯度有关,Fe含量要求<0.3ppm,羟基才有可能脱到<1ppm,另外与碱金属含量也有关,碱金属含量高容易脱羟,但降低了抗析晶性,影响灯的使用寿命。 2. 半导体工业用石英玻璃 美国GE公司普通产品其纯度与照明产品相同,羟基<10ppm,可以比照明用石英高1倍,还有一种244LD牌号管,其Al含量只有8ppm, Li≤0.001ppm, K<0.2ppm,Na≤0.1ppm,碱金属总量<0.3ppm,Zr≤0.3ppm,Ti≤1.4ppm,Ca≤0.6ppm,Mg<0.1ppm,B<0.1ppm,Cu<0.01ppm,P<0.2ppm,提高纯度可以提高使用温度。中国半导体工业用石英玻璃的行业标准为:Al、Fe、Ca、Mg、Ti、Na、K、Li、Cu、Co、Ni、Mn、B等13个元素总量<50ppm,其中Fe≤3ppm,Cu≤0.8ppm,Na≤2ppm,K≤2ppm,Li≤2ppm,B≤0.3ppm,羟基<220ppm。从上面的情况对比可以看出中国石英玻璃在纯度上还是很落后的,需要从各个方面做工作。
2.2.石英玻璃热学性能 1. 耐温性 石英玻璃既然是一种玻璃,其结构无序排列,所以它没有固定的熔点,因为石英玻璃高温粘度很大,即使达到软化点1713℃粘度仍有108泊,与20℃的沥青一样硬,在1850—1900℃时,粘度为104—105泊,石英玻璃直到汽化(2100℃)也不会变成很稀的液体。根据美国标准,应变点粘度为1014.5泊,退火点1013泊,软化点108泊。石英玻璃的形变点为1075℃,退火点1180℃,软化点1730℃,热加工温度范围:粘度105—8泊,1700—1850℃。石英玻璃的最高连续使用温度:1100℃,短时间可在1450℃下使用。 2. 热稳定性 石英玻璃的热膨胀系数极小,这就导致它有极高的热稳定性,能承受剧烈的温度变化而不炸裂(又叫急冷急热性好),石英玻璃薄片加热到1500℃,急速投入20℃水中也不炸裂。中国产品行业标准规定,将石英玻璃管加热到1100℃保温15分钟, 立即投入20±5℃水中急冷, 不得出现裂纹、缺口和大于3mm崩落。透明石英玻璃的平均热膨胀系数0—100℃为5.1×10-7,0—200℃为5.8×10-7,0—300℃为5.9×10-7,0—600℃为5.4×10-7,0—900℃为4.8×10-7。 3. 石英玻璃在高温时的挥发量 挥发量与表面积有关,1800℃时SiO2的蒸汽压0.1mmHg,2000℃为0.4mmHg,2500℃为10mmHg。 石英玻璃加热到2000℃左右SiO2会分解或升华,SiO2→SiO+1/2 O2,所以当用火焰1900—2000℃加工时,一个烟雾带会在受热很强区域外形成,烟雾SiO与空气中的O2再化合成SiO2凝聚在石英管表面,连熔炉的炉口也有此种烟雾。 4.比热和导热系数 石英玻璃的平均比热0—100℃为772焦耳/kg.k0,0—500℃为964焦耳/kg.k0,0—900℃为1052焦耳/kg.k0,石英玻璃的热导率20℃为1.38W/kg.m,200℃为1.55W/kg.m,400℃为1.84 W/kg.m,950℃为2.68 W/kg.m。 5. 石英玻璃的结晶性能(也称析晶性能或失透性能) 石英玻璃在高温下趋向变成二氧化硅的晶体(方石英),这个过程称为再结晶,也称为“失透”,再结晶从晶核开始,石英玻璃很纯,在玻璃内几乎没有晶核,所以再结晶通常在表面发生,表面污染(例如:清洗不好,用手指直接触摸表面等),加热环境下清洁含有杂质特别是碱金属离子(K、Na、Li)和碱土金属离子(Ca、Mg),这些离子会降低再结晶温度200—300℃,同时再结晶速度与温度高低有关,温度越高结晶速度越快。中国石英玻璃行业标准规定:半导体工业用石英玻璃在1400±5℃下保温6小时,结晶层平均厚度应< 100μm;电光源用石英玻璃:1200℃下保温0.5小时,单位厚度试样在500nm波长下的透过率不得低于85%。 6. 石英玻璃的高温变色性 电熔石英玻璃管将其加热到900—1000℃有些工厂产品会变成有色的石英玻璃管,称高温变色性(热变色性),主要是因为石英玻璃中金属杂质含量太高造成的,真空加压炉产品,也可能是炭(C)含量造成的。与石英玻璃中金属杂质存在的价态也有关系,人们一致认为:铁、钴、镍、锰影响较大,但石曲玻璃一般钴、镍、锰等含量很小,所以重点就放在降低铁含量上,美国GE公司石英玻璃的铁含量已降到0.3ppm以下,所以它们的产品都没有热变色性,中国石英玻璃热变色性行业标准规定,产品加热到1000℃下保温2小时,单位厚度的试样在290nm波长下热处理前、后的透过率变化平均值ΔT不得大于4%。 石英玻璃的化学性能 石英玻璃是优良的耐酸材料,同时也耐中性物质的侵蚀,同碱有反应,但反映速度较小,石英玻璃的化学稳定性强于任何工程材料,其特点的表现在高温下的化学稳定性是其他材料无法比拟的。但是石英玻璃不耐氢氟酸,氢氟酸能分解石英玻璃,反应式如下:SiO2+6HF→H2SiF6→2HF+SiF4↑,在40%的氢氟酸深液中,透明石英玻璃的表面侵蚀速度是11.6毫克/分米2?小时,这相当于5.9×10-5cm/小时,在100℃时,48%浓度的氢氟酸对透明石英玻璃的侵蚀速度为300—700毫克/小时,人们利用这一特性清洗石英玻璃表面,达到提高产品质量。也用这一特来提高原料纯度,清洗水晶表面,石英玻璃与热磷酸也起化学反映。300℃ 15小时侵蚀量58克/米2,500℃ 15小时侵蚀量79克/米2,700℃时高达230克/米2。没有氧化的金属同石英玻璃不起反应,可以在石英玻璃容器中熔化白金和黄金。碱和碱土化合物在高温下会加速石英玻璃方石英化,因此切记不要用手指触摸,因为汗中有Na离子,否则高温时将产生碱痕。某些元素和氧化物与石英玻璃高温下有反应:铝(Al)在700℃以上反应,炭(C)在1500℃以上反应,钙(Ca)在600℃以上反应,锂(Li)在250℃以上反应,汞(Hg)在700—800℃反应,磷(P)有反应,Al2O3在1200℃以上反应,BaO、CaO、CuO、Fe2O3、MgO在950℃以上反应,碱性氧化物在800℃以上加速析晶,H2O在500℃以上高压下(超过400巴)缓慢分解,BaSO4在700℃以上有反应;NaOH、KOH20℃时10%浓度浸泡100小时,侵蚀量为:NaOH 是0.095毫克/cm2,KOH是0.019毫克/cm2;NaOH在100℃时,浓度5%,浸10小时腐蚀量为1.5毫克/ cm2。
2.4. 石英玻璃的电学性能 石英玻璃的导性实质上是离子型的,而碱金属离子只有痕量存在,因此它有绝好的电绝缘性和低介电损耗性,电阻值:350℃时7×108ohm-cm,介质损耗系数:20℃、1MHz条件下小于0.0004,介电常数:20℃、1MHz条件下,为3.75,电阻率:20℃时为1018ohm/cm3,介电强度:200℃时32KV/mm,500℃时为11KV/mm,石英玻璃的最大特点是高温时有良好的电性能,因此被应用于导弹、航天技术上。
2.5. 石英玻璃的光学性能 石英玻璃在整个波长有特别好的透光性,在红外区(特殊的红外玻璃除外),光谱透射范围比普通玻璃大。在可见光谱区,透过率达93%,在紫外光谱区,特别是在短波紫外光谱区透过率比其他玻璃好得多。石英玻璃的光学性能在很大程度上取决于它的化学纯度,哪怕0.001%的杂质就明显地影响产品质量,过渡金属杂质含量会改变波长向长波方向移动,羟基的存在会吸收2.73μm光带。国产光学石英玻璃有三个牌号:JGS1远紫外光学石英玻璃,应用波段185—2500μm,用合成石英制造,SiCl4为原料;JGS2紫外光学石英玻璃,应用波段220—2500μm,用水晶做原料,气炼法生产;JGS3红外光学石英玻璃,应用波段260—3500μm,采用水晶或高纯石英砂为原料,真空加压炉生产。国外还有一种全波段光学石英玻璃,应用波段180—4000μm,采用等离子(无水无H2状态下)化学气相沉积法生产,用特纯SiCl4为原料。在石英玻璃中掺入少量TiO2,可以把220μm以下的紫外线过滤掉,称无臭氧石英玻璃,因为220μm以下紫外线能使空气中氧变成臭氧。在石英玻璃中掺入少量铈、钛、铕等元素,可以把340μm以下的短波紫外线过滤掉,用它制电光源对人的皮肤有保健作用,这种玻璃还可以制造激光灯,提高激光器的使用寿命。光学石英玻璃还有一系列光学性能,例如:折射率、光学均匀性、颗粒结构、双折射、应力、色散?????? ,这里就不详细叙述。
2.6. 石英玻璃的机械性能 石英玻璃比重2.2, 硬度5.5—6.5, 抗拉强度4.8×107Pa,抗压强度大于1.1×107Pa, 横波速率3.75×103m/s, 纵波速率5.9×103m/s, 声波衰减率低于11db/m?MHz,可达真空度(空气透气性)20℃时3.7×10-6mmHg、900℃时7.0×10-6mmHg。 2.7. 石英玻璃的腐蚀性 拉制硅单晶时熔融硅对石英玻璃的腐蚀性:直接法9CZ法)制造硅单晶,约占硅单晶产量的90%,被广泛用于集成电路,电子电力元件等,直接法必须采用石英玻璃坩埚为熔化硅的器皿,拉单晶温度1447±5℃,熔解硅对石英玻璃有一定的腐蚀作用,虽然腐蚀量很小很小,但因为硅单晶要求纯度很高,石英玻璃中的金属杂质足以影响硅单晶的质量。所以石英玻璃坩埚的纯度是绝对重要的性能。!
2.8. 石英玻璃中的羟基扩散性 羟基在石英玻璃中将降低高温粘度,从而降低石英玻璃的耐温性,石英坩埚中的羟基深入硅中将增加硅单晶的含氧量,石英玻璃用于电光源时,羟基扩散出来将破坏卤钨循环,严重影响灯的寿命,在光导纤维中将影响光损耗,因此羟基在石英玻璃中是一项有害杂质。各种石英玻璃因为制造工艺不同,羟基含量也不同;合成石英玻璃(氢氧焰水解工艺)羟基为1000—1200ppm,合成石英玻璃无氢等离子火焰羟基为1—5ppm,水晶原料等离子热源空气中生产羟基为20—40ppm,水晶原料氢氧气加热的气炼工艺生产羟基为130—250ppm,真空加压法电熔工艺羟基<10ppm,连熔工艺生产羟基为60—100ppm。羟基在石英玻璃结构中只有一个键与硅原子联结,使硅氧四面体的部分环节上断键,所以松散了硅氧四面体,因此降低了石英玻璃高温粘度,从而降低了耐温性,合成石英玻璃的耐温性要降低70℃,合成石英玻璃和气炼石英玻璃中的羟基是SiO2与水反应生产的羟基,称为稳定态羟基,其扩散速率很小,所以脱羟也很困难。 以上所述的石英玻璃性能是透明石英玻璃,其他品种石英玻璃(乳白石英玻璃、石英陶瓷、不透明石英玻璃、石英棉、石英纤维等等)都还有其各自的特殊性能。 3. 石英玻璃的主要品种和用途 石英玻璃的品种和用途是密切相关的,用户根据石英玻璃的特性,要求制造他需要的石英玻璃,便产生了石英玻璃的品种,新的品种又提高了石英玻璃的性能和质量,促进了石英玻璃行业的发展。各行各业几乎都用石英玻璃,但是因为石英玻璃制品工艺复杂,原料价格贵,造成石英玻璃价格也贵,限制了石英玻璃的大量使用。这里简要介绍石英玻璃的主要品种和用途。
3.1. 放电管类用石英玻璃 透明石英玻璃由于具有从紫外区到红外区优良的光透过性和耐热性,所以广泛使用于水银灯、超高压水银灯、氙灯、紫外线灯、碘钨灯、卤素灯、气体激光用灯、金属卤化物灯等电光源,它是中国石英玻璃的第一大用户,外国是第二大用户(第一大用户是半导体技术),首要任务是提高质量,争取多出口。 3.2.半导体工业(电子工业)用石英玻璃 透明石英玻璃是极纯的SiO2,几乎不含杂质,在硅用坩埚和管子,钾合金用坩埚,其它高纯金属的制造装置等,对半导体工业是不可缺少的材料。主要品种有大规格石英玻璃钟罩(制造多晶硅炉的外罩),过去用不透钢,影响产品质量,而且炉壳要通水冷却,现在改为石英玻璃钟罩,不需要通水冷却,既节约能源,又提高了多晶硅的质量;用多晶硅制造单晶硅,要大量使用石英玻璃坩埚,是必要不可少的材料,没有别的材料可以替代;用硅单晶制造集成电路和晶体管时,在石英玻璃扩大散管或石英玻璃钟罩中进行外延、扩杂、烧结等工序;另外清洗硅片也要用石英玻璃支架;所以半导体工业需要大量使用各种规格的石英玻璃管(?10—?320mm)、各种规格的石英棒(?3—?40mm)、各种规格的石英坩埚(?4"—?20")、各种规格的石英玻璃仪器器皿?????? 。 3.3. 红外线加热器类用石英玻璃 用不透明石英玻璃(乳白石英玻璃)制造红外线加热器、取暖器、晶体加热器等,年消耗乳白石英玻璃管近千吨。主要用于电镀液加热、酸加热、家庭取暖、钢化玻璃的加热等,工业上(自行车、汽车等)油漆烘烤的烘道,食品、造纸、纺织工业的烘道等。 3.4. 各种耐酸容器类石英玻璃 由于优越的耐酸性和耐热性,在化学工业领域得到广泛利用。如合成盐酸装置;高温酸性气体的燃烧,冷却和引导装置;酸性溶液的蒸发、冷却、吸收和贮藏装置、蒸馏水、盐酸、硫酸、硝酸类的制造装置;氯化反应容器;蒸馏塔充填物,蒸汽加热搅拌装置;耐酸阀门;过滤板等。 3.5. 电绝缘用石英玻璃 石英玻璃因为有优良的电绝缘性和耐热性,用于科垂尔静电集成器、高频和各种电计器绝缘材料,发电厂锅炉液位管,高压绝缘管类等。 3.6. 各种烧成用石英玻璃容器 由于石英玻璃是没有污染的纯烧成物,所以可作为荧光体物质的烧成容器和各种杯、盘使用等。 3.7. 保护管类石英玻璃 石英玻璃广泛用于一般温度计的保护管类;另外,也可作浸没高温计保护管和制钢的温度测定不可缺少的材料。 3.8.冶金工业用石英玻璃 石英玻璃由于耐热性特别优良,可作平炉,高炉的氧、碳等分析用试样采取管类;炼钢连注连轧出钢水口用石英玻璃;贵重金属、黄金、白金冶炼用石英玻璃;有色金属冶炼(铝及合金、易熔金属蒸发罐)等用石英玻璃。 3.9. 炉芯管类石英玻璃 石英玻璃由于有优良的电性能、耐热性和气密性,可作为电炉、气体炉、高频炉等的炉芯管和外管,也可用于空气,各种气体和真空炉。 3.10.各种理化仪器用石英玻璃 由于石英玻璃有很多优良的特性,可用于膨胀仪、热天平、电气计测器、弹簧天平、地震仪等的零件,烧瓶、烧杯、蒸发皿、坩埚、舟、硫黄定量装置、冷凝器等的分析用具,分光光度计用吸收容跑龙套等各种理化实验用品。 3.11. 光学类石英玻璃 因为石英玻璃有很高的紫外线透过性、耐热性和低膨胀性等可用于纹影照像用窗玻璃,耐热用透镜和窗玻璃,反射望远镜用反射镜、棱镜,气体激光器用窗玻璃,光学标准用等。另外因为石英玻璃不含SiO2以外的成分,所以可作为光学玻璃熔融用坩埚和管使用。 3.12.光通讯及高新技术用石英玻璃 世界80%的信息业务由光纤传输,光纤产业的发展更具战略意义,发展光纤离不开石英玻璃,因为光纤就是石英玻璃纤维,生产石英玻璃纤维需要石英玻璃预制棒和石英玻璃包皮管,由于此类石英玻璃纯度要求特别高,德国贺利氏公司生产专用产品Heralux—WG级石英玻璃管,每公斤达3500元人民币。我国生产光纤大量使用外国进口管。另外还有生物工程、光通信技术、原子能技术、激光技术、航空技术、航天技术等高技术领域均需要用石英玻璃。石英玻璃就好比做菜的味精,用量不算大,但非常广泛,各行业均不能缺少它。石英玻璃属于很重要的新材料,社会经济效益很大。 4.石英玻璃的主要生产工艺 石英玻璃生产工艺复杂,主要因为石英玻璃纯度高、熔化温度高、粘度大,并要求高透明度(85%以上)。为解决高温熔化问题,采用氢氧气为热源,温度可达2000℃;利用电热可以获得很高温度,电热温度的高底取决于加热元件材质的耐温性,用石墨、钨、钼材料作为加热元件温度可达2100℃;而钨、钼基本上不与SiO2反应;采用电弧法可获得3200℃高温,所以用高纯石墨做电板放出电弧来制造石英玻璃坩埚。由于SiO2熔融时粘度大,气泡、气线不容易排除,采用真空熔化,高温加压溶解气泡、气线,采用分层加料,依靠表面张力来排除气泡、气线。新技术等离子、激光可以获得高温,也都用来熔化生产石英玻璃,其中等离子加热已投入生产。这里介绍几种常用的石英玻璃生产工艺。 1、单棒电熔炉工艺 以熔炼水晶为原料,?30—60mm×1200—2000mm的石墨棒,通电加热,熔化温度依靠表面功率来控制,温度达到1900℃时将熔炼水晶熔化,此时SiO2+C→SiC+CO↑反应使石英玻璃与石墨棒分离并产生一定内压,温度继续提高,不会再起硅炭反应。该工艺可以生产石英玻璃砖、各种不透明石英玻璃器皿(石英玻璃筒、石英玻璃管、石英玻璃坩埚等)。 2、真空电阻炉及真空加压炉工艺 由真空常压炉经技改为真空加压炉,炉子有大、中、小三种,最大的直径4米,加热依靠一排石墨棒,烤化炉内的熔炼水晶,可以生产大块光学石英玻璃,现在军工用的红外光学石英玻璃全部用它生产;中型的直径1m—1.5m,用来生产高捏红外光学石英玻璃,用机械真空泵和罗茨泵抽真空,可达10-4mm Hg,加压用瓶装氮气,一般20—25kg/cm2,做光学石英玻璃的原料都是经过特殊加工的一级熔炼水晶;小型真空加压炉?650mm高800mm,生产石英管用J—550或H—8真空泵抽真空,高温真空度10-1mm Hg,用石墨坩埚为熔器。国外:法国、日本、美国(50—60年代)用真空炉熔化石英坨,再用石英坨二次在电阻炉内拉管,用这种方法可以生产大直径管(?80—?200mm)用于电子工业。 3、电熔连熔炉工艺 以水晶砂或高纯石英砂为原料,钨、钼材料作为熔化溶器和通电加热材料,温度可达2100℃以上,连续加热、连续加料、连续拉制石英玻璃管,正常生产一般为连续一年左右。国产连熔炉工艺有很多缺点,自从东海县石英制品总厂引进国外全套技术、工艺及设备,经过消化吸收、技术创新,促进了中国石英玻璃行业整体水平有了很大提高,照明用透明石英玻璃管已接近或达到国外先进水平(OH-<3ppm),并出口国外,推动了中国照明用石英玻璃产量、质量上了新的台阶。 4、氢氧气炼工艺 该工艺是先用电解制氢氧技术,能生产大量氢氧气,然后大量生产半导体技术用石英玻璃产品,其中有管子、坩埚,石英玻璃成器器皿、光学石英玻璃等。该工艺为无接触法生产,所以纯度高。采用分层熔化排除气泡,采用优质水晶做原料。 5、电弧法工艺 利用电弧的高温制造石英玻璃坩埚,节能,可以制造大规模产品,该工艺可以生产? 8"—? 16"石英坩埚,也可以生产石英玻璃大钟罩,用于多晶硅生产。 6、气担沉积工艺 采用化工原料SiCl4或SiHCl3为原料,在氢氧焰或者等离子火焰中热分解、水解:SiCl4+H2+ O2→SiCl4+H2O→4HCl+ SiO2,此时的SiO2是水解产物呈烟雾状,沉积在石英靶面上,制成石英坨,再冷加工成光学产品,也可入电阻炉拉管,拉棒。该产品纯度高,金属杂质总量1—5ppm。但羟基含量高达1200ppm,作为光学产品用石英玻璃,紫外线透过率好,耐辐射性能也特别好,可用于航天技术,精密光学仪器。 7、二步法工艺 该工艺是把气炼和电熔二个工艺综合起来,也就是用真空电阻炉生产石英坨,再用石英坨电阻炉中二次拉管,可拉制成?80—?150mm大直径石英玻璃管,用于半导体技术。 8、掺杂工艺 石英玻璃是SiO2单一成份,才有那么多优良性能,掺杂是为了吸收紫外线;有一些产品如激光灯、无臭氧灯等,希望石英玻璃吸收某一波段紫外线,同时还要保留石英玻璃其它性能,这就出现了掺杂工艺,掺杂元素是特定的几种能吸收紫外线,如:Ti、Ce、Eu等元素,而且量都很少,一般只掺几十至几百ppm(1000ppm=1%),所以一般掺杂量为0.05%—0.2%。 9、石英玻璃的热加工技术 俗称玻璃灯工,是玻璃仪器、器皿加工技术延用过来的。石英玻璃仪器、器皿就是手艺性极高的玻璃灯工师傅用氢氧焰烧、吹、焊而成的。用的原材料是石英玻璃管、石英玻璃棒、石英玻璃板。 10、等离子无接触气炼工艺 该工艺采用等离子打坨(实际上是厚壁?150—?180mm,内径?70—?80mm),而后经过冷加工(打孔、磨外圆、抛光内圆),再将厚壁管吊入中频炉无接触加热、拉管(石英玻璃与加热元件“石墨”不接触),防止石英管污染,等离子打坨也是不接触的(不与任何耐火材料接触),因为全部生产(在高温时)都不与耐火材料接触,所以产品纯度极高。 5. 全国石英玻璃行业浅析 5.1. 全国石英玻璃生产情况 全国2000年半导体技术和光通信技术用石英玻璃销售值近2亿元(因石英玻璃仪器器皿形状复杂,规格多,一般以件数统计,不以重量统计,所以没有统计产量),比1998年增长70%左右;照明等用石英玻璃2000年全国总产量达7000吨,总的从产量上来说比1998年增长70%左右。由于石英玻璃国内市场迅速扩大,国际市场非常旺盛,产品产销两旺。 5.2. 技术进步 半导体技术和光通信技术用石英玻璃生产技术提高很快,沈阳西科公司推出新产品立式扩散炉用石英仪器,规格大、精度高、技术难度很大、装备先进。荆州菲利华石英玻璃公司和建材研究院玻璃与特纤所合作,生产光纤拉丝支架,大量出口日本。北京凯德石英塑料公司和湖州雄燕光电石英公司已被美国GE公司接纳为GE授权加工厂商,增加了先进设备,技术人员和技术工人送德国培训,产品由GE公司销往国外。东海县福东石英制品公司、太平洋石英制品公司生产的照明用透明石英玻璃管和不透明石英玻璃管已批量出口国外。东海县福东石英制品公司生产的激光器用石英玻璃管已替代进口。东海县石英制品总厂生产的低羟基(<3ppm)透明石英玻璃管填补了国内空白,替代进口管用于生产金属卤化物灯。东海县福东石英制品公司、东海县石英制品总厂用连熔炉拉制出?80mm透明石英玻璃管。连熔炉方面?360mm钨坩埚已试产成功,?290mm钨坩埚已普遍推广应用,大大提高了石英玻璃管的产量和质量。近年来,不透明石英玻璃管(乳白管)的质量已达到国际水平,已经大量出口。这些都是十分可喜的现象。 5.3. 石英玻璃行业存在问题 目前国内石英玻璃行业发展较快,进步也较快,但是与国外大公司相比差距仍很大,主要是产品纯度比国外差,Fe、K、Na等元素含量比国外高几倍,大部分石英玻璃产品的羟基含量比国外先进企业产品高5—6倍。大规格产品还不能生产,例如德国贺利氏公司可以用连熔炉直接拉制?320mm石英玻璃管,美国GE公司可以直接拉制?250mm石英玻璃管,我国目前还只能拉制?80mm石英玻璃管。用在半导体技术上的大直径石英玻璃管每公斤进口价1300元,而小直径石英玻璃管主要用在照明工业上每公斤出口价也只有60元,而且由于质量差,不能大量出口。2000年我国进口大直径石英玻璃管约1亿元人民币,主要用于生产出口石英玻璃仪器器皿。进口小口径低羟基(<3ppm)透明石英玻璃管约2500万元人民币,用于生产出口金属卤化物灯,进口价格每公斤200—220元人民币。上面所述存在的主要问题是:生产技术和装备落后,高新技术产品缺口严重。主要差距表现在:1、石英原料方面,美国尤尼明公司采用先进的硅石纯化技术生产杂质总含量低于10ppm的优质高纯石英砂,我国必须急起直追;2、熔制工艺方面,二步法工艺在国外已经普及,三步法已成功,德国可熔制?150—200mm×L200—300mm石英坨,我国半导体技术用大型石英管仍需进口;3、成型工艺方面,国际上很多国家均较好地解决了大直径石英玻璃的成型工艺,如德国采用热挤压成型,石英玻璃管?350mm,长达4000mm,日本采用离心扩管生产?200—300mm大直径石英玻璃管;4、石英玻璃品种方面,电子信息技术已成为世界和我国经济发展的带头工业,它要求提供优质、高精度的石英光纤玻璃管、大规格石英扩散管、硅片匣、优质大规格石英制板玻璃、石英钟罩、托盘等高新技术产品有待解决。 另外,外国石英玻璃公司的工艺主要有德国:灯用石英玻璃管连熔炉生产,半导体技术用石英玻璃气炼制锭(?150—200mm,长2—3m),再用锭热轨成厚壁管,第三步将厚壁管扩大直径(全过程无接触);美国:灯用石英玻璃用小型连熔炉生产,2人操作5台炉,半导体技术用石英玻璃管用大型连熔炉拉制,特大型管采用扩管;日本:灯用石英玻璃管连熔炉生产,半导体技术用大口径石英玻璃管采用二步法,先制坨后拉管;法国:与日本基本相同,它的新工艺是二根石英玻璃管中间填上水晶粉,再无接触熔化拉制。这些国家较我国均有先进之处。 5.4. 市场展望 2000年我国进口集成电路达100亿美元(相当于人民币800—900亿元),今后不可能长期如此大量进口,必须自己制造。因此,“十五”期间我国计划投资几千亿元人民币大力发展半导体(硅单晶、多晶硅、集成电路)工业(技术)。上海市已经计划在浦东张江高新技术工业园区建设微电子产业基地,“十五”期间引进产业投资100亿美元,形成10条以上芯片生产线;目前,有三家芯片工厂已建成和正在建设之中,一是华虹—NEC工程,总投资500亿元人民币,一期工程投资200亿元,已建成投产;二是宏力半导体公司投资16.3亿美元(135亿元人民币)正在建设中;三是中蕊国际集成电路公司投资15亿美元(124亿元人民币)正在筹建。北京市有首钢集团的北方微电子产业基地—华夏半导体制造公司投资13.35亿美元(110亿元人民币);北京讯创集成电路公司投资2亿美元兴建6"芯片生产线。天津市有摩托罗拉公司再增资19亿美元(157亿元人民币)生产通信用集成电路。深圳等市也在积极筹建上马集成电路企业,可以预计中国半导体市场将以每年17%的速度递增,到2004年销售额将达到1500多亿元人民币,粗略估算这些半导体制造企业年需消耗4000—5000万元石英玻璃仪器器皿;另外,在我国周边国家和地区内,如韩国、台湾地区、马来西亚均设有硅材料生产基地,年生产能力总计已达5亿平方英寸,年需要大量的石英玻璃仪器器皿,我们可以充分利用我国生产石英玻璃大国的优势,继续提高石英玻璃质量,争取多向我国周边国家和地区出口石英玻璃。照明用石英玻璃,由于我国生产成本低,外国公司将很快转移到中国生产,美国GE公司已经采取了行动。因此,我国石英玻璃行业的市场前景很好。

石英玻璃之洗净方法
石英玻璃在半导体工业设备上,使用温度经常在1000℃至1300℃之高温状态,在此种状态下由于附著不纯物导致失透现象发生,失透之部分为石英之晶质化,晶质化之变态点为275℃,当石英玻璃自高温降至此变态温度时,表面失透之晶质化部分与石英玻璃本身高温之α相与低温之β相间膨胀系数不同在急速冷却下产生不透明之剥离状,更严重时会造成破裂现象产生。为使石英制品能使用更久,就必须注意防止造成石英失透产生的原因,而造成失透的污染源就属碱金属、碱土金属、汗水、口水、油污、尘埃……等等。且0.1mg/cm2l}k
就会造成数十倍或数百倍的失透量。 因此,防止这些污染源附著在石英表面上除了不直接用空手去拿石英外,使用在高温作业之前必先做清洗之工作以确保石英表面之洁净度。
一般石英之洗净须要一些程序,首先用纯水先冲洗表面,再置入酸洗槽内浸泡一些时间,取出后再用纯水冲洗后晾干。 酸液之种类如下:
◆ 种类/项目 浓度 时间P_!
◆ 氟酸(HF) 47.0%~52.0% 1~2分钟
◆ 氟酸(HF) 5.0%~10% 10~15分钟
◆ 氟酸+硝酸 50%+65% 10~15分钟_
◆ 氟酸+硫酸 50%+65% 10~15分钟 石英玻璃专利技术
1、玻璃质材料管,特别是石英玻璃管的制造方法
2、不透明石英玻璃的制造方法、适于执行该方法的SiO颗粒和由不透明石英玻璃构成的部件g`
3、不透明石英玻璃管生产用的硅石粉料坨的生产方法
4、采用溶胶-凝胶法制备高纯石英玻璃的方法
5、彩色石英玻璃管的制造方法
6、超细石英玻璃管及其生产方法和设备
7、大尺寸石英玻璃管的制造方法
8、大尺寸石英玻璃熔化炉
9、电阻炉生产石英玻璃的投料器
10、多点夹持牵引式石英玻璃拉管装置
11、二氧化硅粒子、合成石英粉、合成石英玻璃的合成方法
12、辐照输液器中的石英玻璃管件
13、高耐久性石英玻璃,其制造方法,使用它的部件及装置
14、合成石英玻璃制造方法
15、环形石英玻璃管制作机
16、黄色滤光石英玻璃及其制造方法
17、堇青石--熔融石英玻璃质稀土粉料煅烧皿
18、可多次使用的石英玻璃生产用石墨坩埚
19、立式四氯化硅汽相沉积合成石英玻璃的方法
20、内外经分别相等的石英玻璃厚壁管一次成型装置
21、耐高温低膨胀高硼含量封接玻璃的制备工艺
22、耐受激准分子激光的石英玻璃制造方法和石英玻璃部件
23、能吸收紫外线的透明石英玻璃及其用途
24、气炼法生产不透明乳白石英玻璃
25、溶胶-凝胶法生产石英玻璃用的组合物
26、生产管状石英玻璃产品的方法
27、生产石英玻璃管的方法和用于实现该方法的钻杆体
28、石英玻璃的构造元件及其制造方法
29、石英玻璃坩埚的制造方法
30、石英玻璃管成型装置
31、石英玻璃管烧口装置
32、石英玻璃管自动定尺切割装置
33、石英玻璃光导纤维制造方法
34、石英玻璃及其制造方法
35、石英玻璃喷镀部件及其制造方法
36、石英玻璃熔炼炉水冷电缆供电装置
37、石英玻璃体和石英玻璃支持部件的制造方法
38、石英玻璃液体电加热管
39、石英玻璃制品及其制备方法
40、石英玻璃组合物
41、石英玻璃组合物以及使用它生产石英玻璃的方法
42、石英及玻璃材料中二阶极化率产生与增强的新方法
43、双效蒸发高酸后重稀土反萃液浓缩石英玻璃设备
44、透明石英玻璃产品的制备
45、透明石英玻璃厚壁管制造方法及装置
46、无羟基透明石英玻璃的连续电熔法
47、析晶温度高于石英玻璃的高温玻璃的制造方法
48、一种立式合成石英玻璃沉积炉
49、一种耐碱玻璃球的生产方法
50、一种石英玻璃的氢氧焰燃烧器
51、一种石英玻璃管的切割装置
52、一种石英玻璃管拉制成型方法
53、一种石英玻璃管拉制成型装置
54、一种四氯化硅、多晶硅和石英玻璃的联合制备法
55、用来制造石英玻璃体的方法
56、用溶胶-凝胶过程制造石英玻璃的方法
57、用于半导体制造的石英玻璃构件
58、用于标记石英玻璃灯的方法和用其所制造的石英玻璃灯
59、用于制备石英玻璃的氯化锗和硅氧烷原料和方法
60、用于制造石英玻璃基底材料的方法
61、圆柱形石英玻璃部件的制造方法及其适用的装置
62、在石英玻璃管制造中撤出芯棒的方法和装置
63、制造石英玻璃板的方法和设备
64、制造石英玻璃体的装置和方法
65、制造石英玻璃预制件的方法
66、制造一种石英玻璃的方法和装置
67、制作石英玻璃的方法-
68、制作石英玻璃的方法

热性能 电性能 机械性能

石英玻璃热膨胀系数是:5.5x10-7cm/cm. ℃,是铜的1/34,是硼硅酸盐的1/7,这一特性,使其用于光学镜头,高温窗口以及要求对热变化敏感达到最低的光学应用。石英玻璃具有良好的抗热冲击性能,将1毫米厚的石英玻璃片加热的1200度,迅速投入冷水中数次,也不会产生损坏。 电性能1,h
石英玻璃仅含有微量的碱金属离子,属不良导体。它的介电损失对全部频率都很小。作为固体绝缘体,其电气和机械性能远较其他材料优越。在常温下,透明和不透明石英玻璃的固有电阻分别为1019和1016ohm cm,相当于普通玻璃的103-106倍。在常温下,透明和不透明石英玻璃的绝缘耐压分别是43千伏/毫米和32千伏/毫米。。 机械性能W
石英玻璃的机械性能和其他玻璃相似,其强度取决于玻璃中的微裂纹。弹性模数,抗拉强度,抗折强度随温度增加而增加,1050-1200度达到最大值。推荐用户使用的设计抗压强度为1.1×109Pa, 抗拉强度4.8×107Pa. 二步法工艺:分两步工艺生产石英玻璃制品的方法。典型方法是第一步用真空电阻炉法或气炼法生产的石英坨,再将石英坨放入电阻炉中二次拉管。 透明石英玻璃由于具有从紫外区到红外区优良的光透过性和耐热性,所以广泛使用于水银灯、超高压水银灯、氙灯、紫外线灯、碘钨灯、卤素灯、气体激光用灯、金属卤化物灯等电光源。w
中国照明用石英玻璃按行业标准:Al、Ca、Mg、Ti、Fe五种元素,优等品<50ppm,一等品<70ppm,合格品<1000ppm,羟基含量优等品<3ppm,一等品<5ppm,合格品<10ppm。

天然石英的质量评估1
天然石英的主要成分为SiO2,属三方晶系,有 α?C石英,β?C石英,α?C鳞石英,β1?C鳞石英,β2?C鳞石英,α?C方石英,β?C方石英,柯石英,斯石英等同质多象变体。其中α?C石英在自然界分布极广,是许多火成岩、沉积岩和变质岩的主要造岩矿物。α?C石英,又是花岗伟晶岩脉和大多数热液脉的主要矿物成分。在伟晶岩脉晶洞和变质岩系中的石英脉内,α?C石英,能形成结晶完好的晶体——水晶。 人类对石英的认识和利用可谓由来已久,古人称水晶为“千年之冰”,将其作为饰品和宝物。随着工业技术的发展,石英因具有优越的性能在许多领域得到了广泛应用。比如:水晶用来制作压电元件、石英玻璃的原料等,应用于电子、光学材料等行业;石英砂是玻璃、陶瓷、铸造、耐火材料、冶金等行业的主要原料;石英粉是陶瓷、无碱玻璃纤维、电子塑封填料、耐火涂层、塑模涂层、高技术隐瓷等行业的主要原料。当然,不同粒度的石英在磨料、涂料等行业也得到了广泛的应用。 1.石英的地质产出类型 石英在各种地质条件下都有产出,具有工业价值的矿床有海相沉积的石英砂矿、湖相沉积石英砂矿、风成石英砂矿、变质成因的石英岩矿、热液成因的脉石英矿、岩浆分异形成的伟晶岩石英矿等。不同成因的石英质量不同,应用领域也不同。不同类型的石英矿床的地质类型及应用领域见表1。
表1 不同石英矿床的石英质量及应用领域
序 号 地质成因 分类 产出特征 T=I/Io (100%) KA1=Cal/C (100%) ∑Me (PPm) ∑Mc (PPm) 1 内生岩浆岩 伟晶岩 稀有金属矿 47 79 519 29 2 内生岩浆岩 伟晶岩 含水晶矿 69 75 499 12 3 内生岩浆岩 伟晶岩 含水晶矿 34 72 292 21 4 内生岩浆岩 热液矿床(脉) 乳白色脉石英 3 54 409 33 5 内生变质岩 伟晶岩 含云母玻璃状石英 41 65 228 15 6 内生变质岩 伟晶岩 颗粒(粒化)石英 66 55 220 14 7 内生变质岩 伟晶岩 颗粒(粒化)石英 68 53 215 12 8 内生变质岩 热液石英脉 颗粒(粒化)石英 65 16 91 8 9 内生变质岩 热液石英脉 透明石英 72 30 42 10 内生变质岩 热液石英脉 再结晶乳白色石英 15 41 78 11 内生变质岩 热液石英脉 再结晶石英 32 42 75 5 12 内生变质岩 热液石英脉 水晶矿 72 38 71 4 13 外生沉积岩 热液石英脉 石英岩 12 40 970 47 14 外生沉积岩 再结晶石英岩 石英岩 33 48 600 81 15 外生沉积岩 砂 岩 6 41 9% 414 16 外生沉积岩 石英砂 3 43 4~3% 693 序 号 地质成因 分类 产出特征 用 途 产 地 1 内生岩浆岩 伟晶岩 稀有金属矿 光学玻璃 中国阿尔泰、芬兰、阿根廷 2 内生岩浆岩 伟晶岩 含水晶矿 压电水晶 江苏东海、马达加斯加、巴西 3 内生岩浆岩 伟晶岩 含水晶矿 熔炼石英 河北灵寿、安格拉 4 内生岩浆岩 热液矿床(脉) 乳白色脉石英 非均质熔炼石英 5 内生变质岩 伟晶岩 含云母玻璃状石英 透明石英玻璃 印度、乌拉尔 6 内生变质岩 伟晶岩 颗粒(粒化)石英 透明石英玻璃 乌拉尔 7 内生变质岩 伟晶岩 颗粒(粒化)石英 透明石英玻璃 中乌拉尔、印度 8 内生变质岩 热液石英脉 颗粒(粒化)石英 透明石英玻璃 乌拉尔 9 内生变质岩 热液石英脉 透明石英 透明石英玻璃 乌拉尔、中亚 10 内生变质岩 热液石英脉 再结晶乳白色石英 11 内生变质岩 热液石英脉 再结晶石英 熔练水晶 乌拉尔 12 内生变质岩 热液石英脉 水晶矿 压电水晶 马达加斯加、巴西 13 外生沉积岩 热液石英脉 石英岩 硅 铁 14 外生沉积岩 再结晶石英岩 石英岩 透明石英玻璃、 平板玻璃 乌拉尔、天山、安徽凤阳 15 外生沉积岩 砂 岩 玻璃、陶瓷 德国、巴西 16 外生沉积岩 石英砂 多组分光学玻璃、 平板玻璃、铸造 法国、比利时、海南文昌、福建东山 注:T-表示透光率、Kal-石英中的A1占原矿A1的百分数,Me-金属离子含量、Mc-着色离子含量 2.石英中的杂质类型 石英作为一种天然产出的矿物原料,必然会与其它矿物共生,即使是水晶,因受成矿环境的影响,其中也支有一些杂质。而以石英为原料的工业部门大都对石英中的杂质含量和种类有一定的指标要求。因此,研究天然石英所含的杂质并将其有效地排除是十分重要的。通过多年的研究和实践,我们将天然石英所含杂质分为如下三类: 2.1矿物杂质 这类杂质系指与石英共生或在石英晶体中尺寸为0.1μm~10mm的固体包裹体,也可能是石英在变质条件下重结晶时所形成的异矿物,存在于石英晶体中、结晶裂隙或晶面。 此类杂质主要有:长石、云母、电气石、黝帘石、绿帘石、石榴石、方解石、阳起石、金红石、磷灰石、榍石、黄铁矿、黄铜矿、赤铁矿、滑石等,对玻璃工业而言,上述矿物有些在调温时能释放出气体,有些熔融后能使玻璃着色。 2.2元素杂质 此类杂质系指在石英晶体中以离子形式存在的杂质,其中能取代Si-O四面体中的Si而参与结晶的称为结构杂质,如Al3+、Fe2+、Ti4+、Ge4+、B3+、P5+、As5+等,这些离子取代Si时伴有Na+、Li+、Ag+、Ca2+、K+、Cl-、F-等。而那些以机械混入、离子吸附或以单质包裹体形成存在于石英晶体的杂质称为非结构杂质,如Cu2+、Pb2+、Mn2+、Fe3+、Cr3+、Au、C等。 2.3气-液杂质 此类杂质系指以气体、液体或气液混合体形成存在于石英晶体中的杂质。其存在形式主要有: 均匀分布或沿解理纹表面分布的原生和次生气-液包裹体(0.1μm~10mm),其中所含物质主要有H2O、CO2、CO、CxHyOH、H2、H2S、SO2、HCl、Cl2、F2、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、F-、SO42-、HCO3-等; 以分子形式散布并溶解于石英结构中的分子杂质,如H2O、CO2、H2等;结构气体杂质,如≡Si-OH、≡Si-H等。 3.石英原料的分选和提纯 针对石英中所含的杂质不同,我们可以采取不同的方法对其进行选矿提纯。见表2。 表2 石英原料的分选和提纯 杂质种类 分配原理 分选方法 矿物杂质 根据矿物的颜色、比重、磁性、 电导率、表面性质 光选、重选、磁选、 电选、浮选等 结构杂质 SiO2+HF→SiF4(H2SiF6)↑+H2O KAlSi3O8+HCl→KCl+AlCl3+SiO2nH2O CaCO3+HCl→CaCl2+CO2↑ SiO2nH2O+HF→SiF4↑H2O 酸洗、酸浸等 气液杂质 气体高温膨胀及 α?C石英——→β?C石英(573℃) 石英的结构缺陷可以成为扩散通道 热破碎、氯化煅烧等 通过以上分析我们不难看出对一定的地质条件下形成的石英矿床,只要通过必要的手段检测出其中杂质的类别和赋存状态,不用做工业试验就能判断该石英能应用于哪些工业领域,并可推荐其加工流程。 天然石英是生产石英玻璃的原料,石英玻璃的质量是由天然石英的质量决定的。通过对天然石英中主要杂质即:矿物杂质、元素杂质和气-液杂质研究,可以帮助我们在不做工业试验的前提下判断天然石英的质量从而确定其能束用于生产透明石英玻璃还是其他产品。 4.结论 1)不同地质类型的石英质量不同,不同的地质作用对石英矿床的影响不同,对石英的品质也有不同程度的影响。这些因素决定了石英的应用领域。 2)石英中的杂质主要以矿物杂质、元素杂质、和气-液杂质的形式存在,根据不同杂质的不同性质可采用选矿、酸浸和脱气的办法予以排除。 3)对一定的石英矿床,只要对其地质类型、石英中的杂质等因素进行分析,就可以在不做工业试验的情况下对石英的质量进行评估,并推荐加工流程及产品的应用领域。 石英玻璃产品说明 一、概况: 石英玻璃是以含二氧化硅物质,如水晶、硅石、四氯化硅为原料经高温熔制而成。其二氧化硅含量比普通玻璃高得多,一般石英玻璃二氧化硅含量在99.999%。
石英玻璃具有优异的光学性能,不仅可见光透光度特别好,而且透紫外线,红外线。
石英玻璃是良好的耐酸材料,除氢氟酸和300 以上的热磷酸外,在高温下,它能耐硫酸,硝酸,盐酸,王水,中性盐类,碳和硫等侵蚀,其化学稳定性相当于耐酸陶瓷的30倍,相当于镍铬合金和陶瓷的150倍,它耐高温,耐热震,热膨涨系数特别小。ACS76
石英玻璃电学性能极佳,在常温下,它的电阻相当于普通玻璃的10 —10 倍,对全部频率的介电损失很微小,绝缘耐压强度大。w
石英玻璃还具有耐宇宙射线和不透原子核裂变产物的性质。
石英玻璃主要用于电光源,半导体,光学新技术等方面。
新型光源方面:做高压水银灯、长弧氙灯、碘钨灯、碘化铊灯、红外线灯和杀菌灯等。
半导体方面:是半导体材料和器件生产过程中不可缺少的材料,如生长锗,硅单晶的坩埚、舟皿炉芯管和钟罩等。j
在新技术领域中:用其声、光、电学的极佳特性、做雷达上的超声延迟线,红外跟踪测向,红外照像、通讯、摄谱仪、分光光度计的棱镜,透镜、大型天文望远镜的反射窗,高温作业窗、反应堆、放射性装置;火箭,导弹的鼻锥体,喷嘴和天线罩:人造卫星的无线电绝缘零件,辐射;热天秤,真空吸附装置,精密铸造等。
石英玻璃还用于:化工、冶金、电工、科研等方面。
在化工方面:可做高温耐酸性气体的燃烧、冷却和通风装置,酸性溶液的蒸发,冷却吸物收,贮存装置,蒸馏水,盐酸、硝酸、硫酸等的制备和其它物理化学实验用品。在高温作业方面,可做光学玻璃的,坩埚烧成萤光体客气,电炉炉芯管,气体燃烧辐射体,热电偶保护管等。在化工方面,可做高压高频绝缘管,引波管等。
在光学方面:石英玻璃和石英玻璃棉可作火箭的喷咀,宇宙飞船防热罩和观察窗等,总之,随着现代科学技术的发展,石英玻璃将在各个领域方面得到更加广泛的应用。
二、受热性能:
透明石英玻璃的线膨胀系数的5.4*10 ,相当于普通玻璃的1/121/20由于石英玻璃的热膨胀系数低,故热稳定性能特别好,透明石英玻璃的平均比热是0.251(0—900 ℃)热传导率是0.0035卡/厘米、秒、度(20 ℃)透明石英玻璃的变形点,退火点和工作温度。t69();
请参看表2。性能 透明石英玻璃Sw=
表2.透明石英玻璃的变形点,退火点和工作温度 性能 透明石英玻璃 变形点 1075℃Zb6^Wl
退火点1180℃8muUl%
软化点1730℃iZ2xLY
工作温度 连续短时间 1000℃-1100℃1300℃`/7t
三、化学性能: 石英玻璃是良好的耐酸材料,其化学稳定性相当于耐酸陶瓷的30倍,相当于镍铬合金和陶瓷的150倍,在高温和浓酸中应用优越性尤为显著,除氢氟酸和300℃以上的磷酸外,不为其它酸所侵蚀,特别能耐高温下硫酸,硝酸,盐酸和王水的侵蚀。?D
请参看表3 表3.浓酸处理后石英玻璃的损耗量 酸 类 处理时间(小时) 温度(℃)透明石英玻璃(克/平方米) 硫酸(比重1.82) 24 205 0.06 硫酸(比重1.40) 24 115 0.11 硫酸(比重1.19) 24 66 0.14 硫酸(比重1.84) 240 20 0.016 硫酸(比重1.40) 240 20 0.06 硫酸(比重1.19) 240 20 0.18 四、电气性能: 石英玻璃几乎不含导电碱离子,故属不良导体,它的介电损失对全部频率都很小,用作固体绝缘材料,其电化和机械性能远较其它材料优越,在常温下,透明石英玻璃的固有电阻的10 欧姆厘米,相当于普通玻璃的10 倍,在常温下,对全部频率的介电系数是一个常数3.78,随着温度增高,在550℃时达到最大值,导电率也很小,当温度相当高时也未出现结构松弛和变形,所以介电损失非常小,因此绝缘耐压大。
请参看表4 温度(℃) 透明石英玻璃耐电压(千伏/毫米) 20 43 100 37 200 32 300 28 400 17 500 10 600 5.2 透明石英玻璃使用中注意事项:
1、石英玻璃制品,在使用前,必须用取离子水认真清洗或用酒精擦洗干净,清洗后严禁用手直接接触,和防止落上灰尘,否则会使石英玻璃失去高纯度性,而直接影响使用寿命。
2、虽然石英玻璃的耐急冷急热性能均非常好,但和其它物质一起使用,必须考虑到其它物质的膨胀系数,否则就会造成破损。

来源:百度文库

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