中國(guó)粉體網(wǎng)訊  石英玻璃以天然結(jié)晶石英（水晶或高純硅石）或硅化合物為原料，在潔凈環(huán)境中經(jīng)高溫熔制而成，具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)性能。石英玻璃被廣泛應(yīng)用于需要高溫、潔凈、耐蝕、透光、濾波等特定的高新產(chǎn)品生產(chǎn)工藝環(huán)境中，是半導(dǎo)體、航空航天、光通訊等領(lǐng)域不可或缺的重要材料。

石英玻璃的性能

來(lái)源：菲利華招股說(shuō)明書(shū)、中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒，民生證券研究院

石英玻璃的性能與其純度密切相關(guān)，在石英玻璃的制備過(guò)程中不可避免的會(huì)引入各種雜質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致石英玻璃中缺陷的產(chǎn)生和性質(zhì)的改變。石英玻璃的缺陷產(chǎn)生主要有兩個(gè)方面的原因：原材料，生產(chǎn)工藝。如果原材料的純度不夠，則生產(chǎn)出來(lái)的石英也會(huì)有各種問(wèn)題，氣泡、雜質(zhì)、羥基含量高、析晶嚴(yán)重以至于其各種性能都不能達(dá)標(biāo)。如果工藝上控制不嚴(yán)格，出現(xiàn)羥基、內(nèi)應(yīng)力、條紋及微觀結(jié)構(gòu)缺陷，同樣會(huì)降低石英材料的性能指標(biāo)。

石英玻璃原料純度

判斷石英玻璃原料純度高低的指標(biāo)是原料中堿金屬(Li、Na、K)、過(guò)渡金屬元素(Fe、Cr、Mn、Ni、Cu)以及Al、B和Ti等金屬元素含量的多少。

國(guó)標(biāo)規(guī)定透明石英玻璃的雜質(zhì)含量

雜質(zhì)對(duì)石英玻璃的影響最明顯的是析晶行為，堿性金屬對(duì)石英玻璃的影響最為嚴(yán)重。Li、Na、K等堿金屬在熔融石英玻璃結(jié)構(gòu)中具有極強(qiáng)的助熔作用，導(dǎo)致石英玻璃的失透和高溫變形，其次，堿金屬會(huì)影響石英玻璃的熱學(xué)特性和光學(xué)特性，降低電光源、半導(dǎo)體等的使用壽命；除此之外，堿金屬還能增大熔融石英玻璃的介電系數(shù)和介電損耗，影響石英玻璃的介電性能和機(jī)械強(qiáng)度。

過(guò)渡金屬超標(biāo)會(huì)影響石英玻璃導(dǎo)電性，透光性，也會(huì)造成析晶現(xiàn)象。過(guò)渡金屬元素Fe、Cr、Mn、Ni、Cu等都有多種氧化態(tài)，常呈一定的顏色，對(duì)熔融石英玻璃質(zhì)量影響特別嚴(yán)重。比如微量過(guò)渡金屬元素會(huì)降低熔融石英玻璃的導(dǎo)電性，對(duì)儀器的可靠性和預(yù)見(jiàn)性起負(fù)面作用，還會(huì)使其產(chǎn)生色斑或高溫變色，影響透光性能。

Al、B過(guò)高，材料硬而脆，強(qiáng)度降低。石英中Al、B和Ti含量與礦床地質(zhì)有直接關(guān)系，Al、B和Ti進(jìn)入石英晶格中產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵，是石英中最難脫除的雜質(zhì)元素。這些元素含量過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響石英玻璃的析晶行為，導(dǎo)致石英玻璃硬而脆，強(qiáng)度降低。

石英雜質(zhì)的另一個(gè)來(lái)源是包裹體。天然石英中通常含有礦物包裹體、熔融包裹體和流體包裹體，包裹體的種類(lèi)和含量主要取決于礦物的成巖環(huán)境和結(jié)晶學(xué)的變化。石英中的礦物包裹體和熔融包裹體由于粒度極細(xì)且被石英嚴(yán)密包裹，很難在不破壞石英晶體的條件下通過(guò)選冶方法除掉。流體包裹體對(duì)高純石英的影響首先表現(xiàn)在流體包裹體中富含金屬離子，是影響石英純度的主要因素之一。其次流體包裹體在石英熔融過(guò)程中不會(huì)完全爆裂，熔化前未爆裂的流體包裹體會(huì)在熔融石英玻璃中形成氣泡缺陷。

原料的粒度分布和顆粒形狀

原料的粒度分布不均勻會(huì)導(dǎo)致石英玻璃的氣泡和微量晶核的產(chǎn)生。比如在熔制過(guò)程中，由于表面活化能的不同，小顆粒石英比大顆粒石英優(yōu)先熔化，先熔化的石英溶液包覆于未熔化的石英表面，使大顆粒不易徹底熔化，形成顆粒缺陷，產(chǎn)生顆粒晶核，加速析晶。此外，小顆粒間隙所包含的氣體量多，增大了熔化排氣難度。不同的石英玻璃熔制工藝所需的原料粒度分布不同，比如，電熔工藝一般要求石英砂的粒度范圍為40~80目，60~120目或80~140目；氣煉工藝一般要求石英砂的粒度范圍為80~200目；等離子體熔制工藝一般要求石英砂的粒度范圍為120~200目。

原料的顆粒形狀也是影響石英玻璃產(chǎn)生工藝氣泡的原因之一。在高純石英砂的熔制過(guò)程中，長(zhǎng)徑比大的針狀顆粒易形成架棚現(xiàn)象，使下料不暢，導(dǎo)致玻璃制品出現(xiàn)工藝氣泡。為了減少架棚現(xiàn)象，增加石英砂的流動(dòng)性，要求石英砂為粒狀，長(zhǎng)徑比盡量接近1:1，近似球形。因此，必須對(duì)原料的粒度分布與顆粒形狀進(jìn)行嚴(yán)格控制。

石英玻璃的生產(chǎn)工藝

石英玻璃制備過(guò)程中，由于溫度的影響，會(huì)出現(xiàn)三種缺陷：第一種是在石英內(nèi)部出現(xiàn)的未熔顆粒，主要出現(xiàn)在熔融石英玻璃中；第二種是在石英玻璃表面出現(xiàn)的條紋，這種缺陷主要是在以SiCl4為原材料的石英玻璃中出現(xiàn)，這兩種缺陷都是因?yàn)闇囟葓?chǎng)分布不均勻；第三種是石英玻璃冷卻過(guò)程中內(nèi)外部產(chǎn)生溫度差導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，降低機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

在相同原材料、不同工藝條件下，石英玻璃的雜質(zhì)及羥基含量差異很大。

目前生產(chǎn)石英玻璃的工藝方法主要有電熔法、氣煉法、等離子體沉積法等方法。電熔法出品率高且經(jīng)濟(jì)，是國(guó)內(nèi)最為普遍的工藝方法，采用電熔法制備的石英玻璃，其品質(zhì)主要取決于原料的純度。石英原料中的金屬雜質(zhì)通常很難去除，因此電熔石英玻璃中的金屬雜質(zhì)一般含量較高且難以控制。通過(guò)烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用電熔法可以制備出羥基含量較低的石英玻璃。氣煉法制備的石英玻璃雖然能減少雜質(zhì)含量，但是成品的羥基含量過(guò)高；等離子體沉積法能同時(shí)解決雜質(zhì)和羥基含量，但是成本高，所以實(shí)現(xiàn)大量產(chǎn)業(yè)化較為困難。

參考來(lái)源：

張玉等.石英玻璃的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

譚琦等.熔融石英玻璃制備工藝研究進(jìn)展

馬千里.高純石英玻璃制備過(guò)程的研究和工藝優(yōu)化

民生證券.菲利華.高端石英材料龍頭，產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)地位突出

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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