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熔融石英的性能和应用介绍
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-04-13 11:17:02    浏览次数:
 
      (中国粉体技术网/班建伟)高纯石英作为原材料被广泛的应用于包括太阳能、航天航空、光纤通讯、光学仪器等在内的高科技行业。这些行业对Si02的纯度要求必须高于99.9%。过去只能使用天然水晶经简单加工来满足工业需要,随着科学技术进步,高纯石英的需求成倍增长,但水晶资源己日渐枯竭。因此,寻求替代水晶来制备高纯石英的方法已成为急需解决的难题。
    目前,我国透明石英玻璃及制品的年产量已达五万吨,不透明石英玻璃制品年生产量达两千余吨。通过引进技术和消化吸收,以及科研人员创新,一些新品种、新技术和新装备不断开发出来,如激光技术和特种光源用 杂石英玻璃、光通信用石英玻璃管、医用光纤、石英玻璃纤维和纤维棉等。
1  熔融石英的品种
    熔融石英分为透明和不透明两大类。透明熔融石英又可分为普通石英玻璃、高纯石英玻璃和掺杂石英玻璃。按照产品形状可分为:管材、棒材、板材、琳祸、钟罩以及石英玻璃纤维石英棉。从特殊功能方面还有低温膨胀熔融石英、耐福照熔融石英、透紫外线或红外线熔融石英玻璃等。
    熔融石英工业在近几十年发展特别迅速,国内外各熔融石英企业为适应不同领域的需要开发了许多新品种。如德国HERAEUS公司开发的低经基熔融石英玻璃、粉料光学级擦融石英玻璃、合成光学级熔融石英玻璃以及不透明炼融石英玻璃。美国GEQUARTZ公司开发的用于紫外线杀菌灯的掺铁管、用于特种电光源的掺铈管以及具有超高纯宽紫外线透过能力的熔融石英玻璃等。
    国内方面,釆用连续融化工艺制造电光源用熔融石英玻璃管已经形成规模,一些产品已经赶上国外先进水平,且由于成本低廉具有很强的竞争力。
2  熔融石英的性能
    熔融石英突出的优越性是其具有其他材料所没有的独特的综合性能,即非常低的热导率、极好的抗热振性,很高的变形温度和软化温度,很低的热传导能力,很低的介电损失和从紫外线到红外线的极宽的光谱范围内的光学透过能力。
    力学性能:熔融石英是脆硬材料,其抗拉强度很低而抗压强度很高,后者是前者的20倍。表1-1给出了 融石英的力学性能数据。熔融石英性能测试与试样的内在质量和表面状态关系密切,一些缺陷和表面粗糙度对测试结果都会有很大影响。
    热学性能:(1)熔融石英的线膨胀系数比所有材料的线膨胀系数都低,经过掺杂的恪融石英甚至可以达到零膨胀。而且透明炼融石英与不透明熔融石英的线膨胀系数相差很少。(2)由于熔融石英具有极低的线膨胀系数,故其有着非常好的抗热振性能。透明熔融石英玻璃试样在加热到1000℃再投入20℃水中不会炸裂。通常用经多次加热水萍直到破碎的次数来衡量其抗热振能力。(2)黏度是石英玻璃最重要的性能之一。a-方石英在1723°C熔化为熔融石英,而馆融石英是非晶体材料,没有固定融点。一般在不同温度下的黏度值来表征其热加工性能和应用性能。在炼融状态下,石英玻璃的黏度为105-106dPa.s。再升温到1100°C以下工作。当加热到1400℃-1500℃时,黏度达到109dPa.s-1010Pa-s,变形加快。再升温到1700℃黏度为106dPa.s,可以进行吹制、弯曲等热加工。   (3)析晶是熔融石英在高温下析出二氧化桂结晶相的过程。温度越高结晶前沿的扩展速度就越快。
    光学性能:熔融石英与普通玻璃的一个重要区别是它在整个光谱内的良好透过性,尤其在紫外线光谱内的透过性是一般光学玻璃不具备的,这取决于熔融石英的化学纯度。
    电学性能:熔融石英主要的电学特性是高的介电场强度,很低的介电损失和很低的导电性。所以广泛用于制造高频电压绝缘子。特别是在高温和承受较高机械应力的场合更为适用。
    化学性能:熔融石英是化学稳定性非常好的材料,与水、盐融液和大多数酸都不发生反应。相对于普通玻璃而言,熔融石英不惜湿,不风化。只有氧氟酸可腐蚀石英玻璃。化学元素中的铝、碳、钙、镁等在高温下可与熔融石英发生反应。
3  熔融石英的应用
    (1)在电光源行业中的应用:电光源是将电能转化为光能的器件,广泛用于日常照明、工农业生产、国防和科研等方面。溶融石英电光源主要产品包括低强度的节能灯、杀菌灯以及高强度的萊灯、钠灯、金属齒化物灯等,除此之外还包括红外线灯、紫外线杀菌灯等。杀菌灯主要用于医疗卫生、饮食行业。
    (2)在光纤行业中的应用:熔融石英材料是生产光纤预制棒和光纤生产过程中主要的辅助配套材料,没有质量优异的原材料就无法生产出质量稳定的光纤产品,从而无法进行规模化生产。高纯熔融石英基管是MCVD、PCVD及其衍生工艺技术中重要的原材料之一,它有严格的尺寸和纯度要求,在光纤制造过程作为新层的沉积基管,要求为光导级,由此可见对材料的纯度和内在质量要求很高。熔融石英材料是光纤预制棒的重要基础材料,而且熔融石英制品也贯穿于制棒和拉丝等光纤生产的全过程,目前我国的部分光纤用石英玻璃制品已达到了一定的水平,但缺少尖端产品,如高精度、高纯度的石英玻璃基管、外套管。
    (3)在电子信息、半导体行业中的应用:我国电子信息、半导体制造发展迅速,与此同时对关键材料也提出了明确的要求,促进了相关产业的迅猛发展,熔融石英制造业成为电子信息、半导体、集成电路行业发展的受益者。因石英玻璃的高纯度、耐高温、低的热膨胀等优良性能而被大量采用。如:在对单晶挂片进行掺杂、扩散、氧化、退火等关键工序中使用的炼融石英扩散管;硅片外延工序使用的石英钟罩;桂片酸洗和超声波清洗工序使用的支架;控制单晶硅工序中使用的石英坩埚等。
    (4)在光学行业中的应用:由于熔融石英的各项优良性能,所以在各种光学系统中、高、低温光谱测试系统中,广泛用作透镜、棱镜、照相机镜头、天文望远镜等。因熔融石英的高透过和耐高温性能而广泛用于工业蜜炉、锅炉及其他高温场合的高温观测窗口。在激光技术方面,各类石英光纤、滤紫外线石英玻璃等广泛用于激光医疗、工业激光加工、激光测距、传感、仪器仪表等领域。
    (5)在航空航天行业中的应用:熔融石英具有很低的热膨胀系数和优良的耐辐照性能,因此,它在航空业有广泛用途。美国康宁公司研制的代号7971熔融石英具有超低膨胀系数,在0-200℃范围平均线性热膨胀系数为零,热稳定性特别好,密度低、刚度好、磨光性能好。用该类熔融石英制作大型天文望远镜坯料,可制作直径3.96m镜坯。滤紫外线耐辖照擦融石英具有很好的抵御高能射线的能力,同时可以过滤紫外线以保护内部传感器。炼融石英还可以作为结构件被用在太空飞船和航天飞机上。
    (6)在其他行业中的应用:在雷达上作为超声延迟玻璃,超声信号在熔融石英中的传播速度要比金属小十倍,并且具有延迟温度系数低的特性。如果将大型熔融石英加工成多边形,超声波在多边形玻璃中多次反射后可以延迟1微秒以上,这样可以从一系列反射中识别移动目标的雷达信号,并可测定移动目标方位,具有现实意义。
    在化工行业中,由于熔融石英具有耐酸、耐高温、化学纯度高等特性,是一些化工生产设备的理想材料。实验室精馏水制取也一般采用石英玻璃精馏塔。在冶炼行业中,熔融石英也是必不可少的材料。为测定钢铁液面温度,外罩为透明熔融石英。工业密炉上,熔融石英通常被作为高温观察窗以观察炉内熔化情况。可抵御300℃的温差。另外熔融石英具有热膨胀系数极低、化学稳定性极好的特点,因此可用来制造精密仪器,如:波长表、干涉仪、重力仪、陀螺仪等高精仪器。
    总之, 熔融石英由于其优越的性能,被广泛用于各行业。随着科学技术发展,其运用前景必将更广阔。


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