第一章石英玻璃

null 第一章 石英玻璃 第一章 石英玻璃 石英玻璃是由纯净的天然水晶、石英石（包括脉石英、石英砂）或人工合成原料经熔化而制得。 自然界中的石英，从地壳表面往下十六公里，几乎有65％，普通形状为细小的无规则颗粒。 水晶是无色透明结晶完整的石英，是β－石英的变体。一、结构：一、结构：1. 非晶态SiO2呈四面体排列，其基本结构特征都为[SiO4]4-排列。 三个基本的原子间距分别为：Si-O 1.62Å，O-O 2.65Å，Si-Si 3.12Å；Si-O-Si键角分布中最大值为1440±10％。2. 晶态与非晶态SiO2的异同：2. 晶态与非晶态SiO2的异同：a. 同：石英、方石英、鳞石英和石英玻璃中[SiO4]4-四面 体几乎总是以顶角相连。 异：在纤维状的晶态SiO2变体中[SiO4]4-以共棱相连； 在高压晶相石英中[SiO4]4-以八面体[SiO6]8-出现。 b. 同：石英玻璃与方石英最为相似，SiO2方石英 SiO2玻璃， 熔融熵仅为1cal/mol。 异：晶态：排列有序；非晶态：近程有序，远程无序。 c. 紫外光电子能谱和电子能量损耗谱（ELS）表明：晶态与非晶态SiO2光吸收和反射数据，其电子跃迁均在四面体内部进行。 石英玻璃 方石英二、性能：二、性能：1. 纯度： a. 透明石英玻璃： 气炼石英玻璃：SiO2 99.97％以上； SiCl4直接气炼石英玻璃：SiO2 99.9999％以上； 高纯石英玻璃：SiO2 99.999％以上。 b. 不透明石英玻璃：SiO2 99.5％以上。 2. 电学性质： 石英玻璃是一种优良的绝缘材料，在高温下仍能保持很高的介 电强度和电阻，而且几乎没有损耗，（OH）－和杂质将使介电强度 降低， tanδ增加。 石英玻璃的介电强度和介电损耗(50Hz ) 电性能 温度（℃） 透明石英玻璃 不透明石英玻璃 介电损耗tanδ 20 0.0003 0.001 介电强度 200 32 25 石英玻璃的介电常数曲线 石英玻璃的介电常数曲线 石英玻璃的电导率曲线 石英玻璃的电导率曲线 石英玻璃的电阻率曲线 石英玻璃的电阻率曲线 3. 热学性质：3. 热学性质：a. 耐温性： 石英玻璃的耐高温性能，远远超过任何一种玻璃。 T熔＝1713℃，T软＝1580℃±10℃，T退火＝1140 ℃±10℃。 短时间可在1450℃高温下使用，常可在1000℃以上、不透明则在 900℃使用。 b. 热膨胀系数： 石英玻璃的膨胀系数极小，α～5×10－7℃－1，为平板玻璃的 1/14，其原因是石英玻璃的结构类似于方石英相（立方），没有低温 变体的锯齿形特征，同时Si－O键较强。 石英玻璃的膨胀系数 温度（℃）100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200 α×10－7 5.10 5.58 6.27 6.35 6.12 6.00 5.71 5.62 5.56 5.42 石英玻璃的膨胀系数曲线 石英玻璃的膨胀系数曲线 c. 比热和导热系数：c. 比热和导热系数：石英玻璃的比热和导热系数随温度的升高而增大。 石英玻璃不同温度的比热 石英玻璃的导热系数λ 温度（℃）平均比热 温度（℃） 导热系数 100 0.185 透明石英玻璃 不透明石英玻璃 200 0.200 20 0.00331 0.00297 400 0.233 200 0.00394 0.00386 600 0.254 400 0.00447 0.00453 800 0.260 600 0.00484 0.00503 1000 0.264 800 0.00514 0.00534 1200 0.270 1000 0.00547 0.00550 1200 0.00581 0.00569d. 粘度：d. 粘度： 石英玻璃的粘度随羟基（OH－）和杂质含量的增加而降低， 粘度大，温度范围窄。 四氯化硅（SiCl4）合成用氢氧焰熔融比电炉真空熔融的石英 玻璃软化点低近100℃； 水晶原料用氢氧焰熔融法比电炉真空熔融法的石英玻璃软化点 低20～50℃。 石英玻璃在不同温度下的粘度 温度（℃） 1200 1400 1600 1800 2000 2100 lgη（泊） 12.4 10.0 7.6 5.7 4.5 3.84. 机械性质：4. 机械性质： 石英玻璃由单组元硅氧四面体组成网络骨架，硅氧键键强 很大，结构紧密，机械强度很高，为普通玻璃的2～3倍；网络 中没有间隙离子填充，故密度小。 原料纯度（杂质）、种类、产品气泡、羟基（OH -）含 量、熔化不均匀等影响强度。 透明石英玻璃密度：D＝2.20～2.21g/cm3； 不透明石英玻璃密度：D′＝2.02～2.18g/cm3； P抗张～60MPa；P抗弯～110MPa；P抗压～640MPa ； 维氏硬度：700Kp/mm2；莫氏硬度：6级；泊松比：0.17 石英玻璃的杨氏模量曲线 石英玻璃的杨氏模量曲线 石英玻璃的断裂模量曲线 石英玻璃的断裂模量曲线 5. 光学性质：5. 光学性质： a. 石英玻璃在紫外（吸收限低于160nm）到近红外区域内有较 高的透过率；Si－O振动的谐振波长为4.45μm（4450nm）， 截止长波透射； 若有（OH－）存在，则波长在2.73 μm （2730nm）和 1.38 μm （1380nm）处有吸收带；（OH－）与Si－O振动相 互作用的吸收带为2.22 μm（2220nm）。 b. 石英玻璃受到Χ射线和γ射线时，产生如下吸收峰： 2150 Å吸收峰：由石英玻璃本质造成的； 2950 Å吸收峰：由金属杂质铝（Al）、锗（Ge）引起的； 5500 Å吸收峰：由缺氧造成的； 电熔透明石英玻璃用Co60照射易变黑。 石英玻璃的GE光谱曲线 石英玻璃的GE光谱曲线 石英玻璃的折射率曲线 石英玻璃的折射率曲线 石英玻璃的内部衰减曲线 石英玻璃的内部衰减曲线 三、制备方法：三、制备方法：1. 电熔法：石英原料在真空（5×10－2mmHg）或低压惰性（N2） 介质中电熔。 2. 气炼法：采用氢氧焰或其它碳氢化物（乙炔）可燃气体产生高热 来熔化物料。 3. SiCl4蒸汽水解法：将四氯化硅蒸汽由氢气携带通入氢氧喷灯火焰 中，生成二氧化硅及氯化氢，氯化氢气体随烟气逸出， 而二氧化硅则沉积。 4. 高频感应等离子炬熔融法：由高频电磁场的感应耦合作用而产生 等离子体灯炬，内核温度高达15000K，熔化物料。 5. 凝胶法：将多孔（50～80 Å ）凝胶成形后在250℃下真空处 理，排出H2O，通过热处理排除有机物，1000℃下加热 消除气孔，形成石英玻璃。 石英灯头 四、石英玻璃的用途：四、石英玻璃的用途：1. 半导体材料及器件的坩埚； 2. 新型光源：激光脉冲氙灯、紫外杀菌灯、碘钨灯、聚光灯等的灯管； 3. 光学精密仪器用的棱镜、透镜、比色皿、天文反射镜、红外观察窗、超声延迟线玻璃； 4. 在化学工业中，制备铂、铑等稀有金属的容器和生产SiCl4的蒸发皿。五、石英玻璃新品种：五、石英玻璃新品种：1. 高纯石英玻璃：SiO2六个九～七个九，光谱仪、分光光度计、 荧光计零件； 2. 石英纤维和石英棉：（Φ∝3～25 μm）宇宙飞船防热罩、太 阳能电池遮盖材料、 光通讯用光导纤维； 3. 低膨胀石英玻璃：（加入钛等，可使α∝0）原子钟腔体，宇宙 飞行器窥窗； 4. 吸收紫外线石英玻璃：（加入Cr、V、Ni、Co、Mn、Cu） 杀菌（医、食）石英玻璃、日光（坑道采光）石英玻璃； 5. 荧光石英玻璃：分析蛋白质的化学组成，食品、药物、塑料等 的检测； 6. 石英陶瓷：石英玻璃废料经粉碎、成型、烧结而成； 7. 乳白石英玻璃：（4～8 μm、11 μm后有较强的选择反射光 谱带）远红外辐射电加热器材料。 乳白石英玻璃 不透明石英玻璃 石英坩埚 石英陶瓷 思考题：思考题：1. 晶态SiO2与非晶态SiO2的类同和差异？ 2. （OH－）和杂质对石英玻璃的粘度、机械强度、电学性质、光学性质有何影响？ 3. 石英玻璃能否钢化？为什么？