什么是石英玻璃,石英玻璃的生产,石英玻璃的性质,石英玻璃的处理

第一章 什么是石英玻璃?

"石英是自然界中最丰富和最广泛分布的矿物质之一。石英是地球表面结晶二氧化硅唯一稳定的晶型。它存在于所有形式的岩石中:火成岩,变质岩和沉积岩。当含石英的岩石风化或侵蚀时,它会集中在土壤,水体和沙子中。

"石英的化学式是SiO2。硅-氧(Si-O)键是极性的和共价的。单质硅含有四个价电子,使硅原子与四个氧原子结合。一个氧原子与两个硅原子键合,形成石英的体心四面体晶体系统。四面体晶体系统由角处的四个氧原子和一个中心硅原子组成。在一个四面体中,O-Si-O键形成109°角。在SiO4四面体网络中,角氧原子连接中心硅原子。Si-O-Si键形成144°。成网状SiO4的结构具有宽阔的空间,因此使石英具有六角形晶体形式。

"石英可以制成石英玻璃,石英玻璃因其卓越的纯度而受到重视,并具有广泛的应用。石英玻璃不含添加剂。它有时被称为熔融石英或熔融石英;两者之间的区别在于熔融石英由纯二氧化硅(SiO2)制成,而熔融石英由合成前体制成。天然石英在工业中很少使用,因为它可能含有几种杂质;最常用的原料是"培养石英",它是在受控条件下生长的石英晶体。

"石英玻璃因其独特和高价值的特性而受到重视。其中,由于其热膨胀系数低,气体渗透率高,光传输广泛。

第二章 石英玻璃的生产

"本章介绍了将原始石英转化为成型的熔融石英玻璃的步骤。

清洗和干燥

"天然石英中存在的污垢,水分和污染物在加工的早期阶段被去除,这可能会影响要生产的石英玻璃的质量和性能。这仅适用于开采的石英。

粉碎

"这一步的目标是将原始石英减小到适合熔融方法和要使用的机械的尺寸。天然石英经历了一系列尺寸缩小步骤,如破碎和研磨(球磨或辊磨)。石英本质上是非常脆的,这使得粉碎非常容易。之后,分析粒径并分离较大的颗粒。

融合

"在这个阶段,热能被用来破坏强大的硅氧键。随着温度的升高,更多的键被破坏,导致石英的粘性流动减少。在成型和冷却至最终形式后,SiO2分子的有序晶体结构被转化为玻璃体,无定形结构和亚稳态形式的石英。

"根据所需的纯度水平和最终用途应用,天然石英可以通过以下融合方法均质化并形成:

电融合

"这种方法生产出工业上已知的I型石英玻璃。如果要获得高纯度和低羟基(OH)含量(>1 ppm – 30 ppm),则使用电熔法。从这种方法生产的具有低OH含量的石英玻璃具有高红外透射率,但玻璃表面存在美观的气泡和绘图线。起始材料为天然石英晶粒,可采用以下生产模式:

"连续模式:石英砂连续地在包含电加热装置的难熔金属坩埚柱的顶部进料。坩埚的内腔保持在干燥和真空密封的气氛中,以防止熔化的石英与耐火材料发生反应。通过热坩埚柱后,熔化的石英被收集在位于塔底部的孔中,在该孔中形成形状并切割成板,管和棒。这种方法适用于大批量生产。

"批次或滚球模式:将大量石英放置在耐火衬里真空室中,该真空室还包含电加热装置。石英熔融后,粘性熔体被收集并形成其最终形式。这种方法用于创建具有更复杂的形状和细节的石英玻璃。

火焰融合

"在这种方法中,天然石英或合成前体可以作为起始材料。天然石英通过具有高温氢/氧(H2 / O2)火焰的腔室,直到原料熔化。如果要使用气态合成前体四氯化硅(SiCl4),则将其制成与H2 / O2火焰反应。粘性熔体沉积在耐火衬里的真空室中,由容器底部的模具缓慢收集,并形成最终形式。由于其与H2 / O2火焰直接接触,该方法从天然石英中生产出OH含量为150-200 ppm的石英玻璃,而合成二氧化硅的含量高达1000 ppm。

"由晶体石英通过火焰熔融生产的玻璃被归类为II型,从合成前体产生的玻璃被归类为III型。III型合成二氧化硅玻璃是化学反应的产物。四氯化硅的燃烧产生合成石英,并留下对环境有毒的副产物,氯和盐酸。

等离子体融合

"这个过程类似于火焰融合,无水蒸气等离子体火焰被用作热源。等离子熔融石英玻璃具有高纯度,低OH含量,最小气泡含量和无拉线。

"天然石英或合成前体可能是这种方法的起始材料。由等离子体火焰中的合成前体燃烧产生的石英玻璃被称为IV型。

电弧融合

"石英砂在电弧炉中熔化。将得到的玻璃锭压碎成型;成型部件干燥和烧结。在这种方法中,生产的石英玻璃是白色和不透明的,通常不属于任何类型的石英玻璃。然而,就纯度水平而言,它与透明石英相当。

成型和精加工工艺

"制造商可以像加工任何其他种类的玻璃一样加工石英玻璃。

机械成型

"石英玻璃的成型和成型由于其硬度,可能需要金刚石切割工具。此外,必须优化此类操作参数,因为石英玻璃也很脆,并且在开裂或断裂发生之前可以施加的力有限。一些机械过程包括:

"切割:使用带锯和线锯,切锯,CO2激光器和水射流切割机切割石英玻璃。使用激光切割机可以留下釉面和光滑的切割,而那些使用锯切的石英玻璃可以留下粗糙的切割。如果一次切割是不够的,那么厚的石英玻璃板可能需要多次连续切割。可能需要退火以释放热致应力并防止其破碎。

"钻孔:如熔融石英玻璃产品中所述,可以使用金刚石钻孔机生产孔。激光钻孔机可用于切割薄而小的板材。必须确保适当的冷却,以防止工具过早磨损。

"研磨:石英玻璃表面可以平滑,厚度可以减小,具体取决于最终用途的应用。

热成型

"石英玻璃由于其高熔点和陡峭的粘度而对热成型非常复杂,使其能够在非常狭窄的温度范围内形成。如果温度太低,玻璃是固体的;如果温度过高,玻璃的粘度和挥发性较低,导致零件蒸发。除此之外,还需要一个或多个退火步骤来释放热应力并防止热成形引起的断裂。以下是制造商可以用来增强玻璃产品的一些热成型方法:

"焊接:石英玻璃的两个部件通过焊缝连接在一起。每个组件的末端被加热,并熔化一块石英玻璃以填充接缝或接头中的间隙。为了避免热应力,保持温度足够高至关重要。

"坍塌:在这个过程中,石英玻璃棒被缩小到更小的直径。将金属管加热到石英玻璃的软化温度,并在管下施加压力以推动玻璃棒。

"伸长率和压缩:施加正或负径向力将石英玻璃棒伸长或压缩至其最终直径。这是在石英玻璃的软化温度下进行的,并且必须施加最佳力以防止断裂和开裂。

"玻璃吹制:在吹管的帮助下,一块熔融的石英玻璃充气以获得空心形状。

第三章 石英玻璃的性质

"本章介绍了石英玻璃的显着特性和特性。

化学纯度

"纯度是石英玻璃制造中最重要的方面之一。污染物,即使是非常低的水平,也会影响最终应用中所得石英玻璃和接触材料的热,电和光学性能。在原料来源和生产的所有阶段都必须采取严格的处理预防措施,以确保高纯度。最常见的杂质是金属氧化物(Al2O3,Fe2O3,MgO等),水和氯。

"水以羟基(OH)基团的形式存在于石英玻璃中。OH含量会根据热处理和石英玻璃在高温下暴露的水分量而变化。OH影响红外透射率、粘度和衰减。高水平的OH会降低红外透射率。OH还会降低热稳定性;较高的OH含量意味着石英玻璃不适合高温端应用。退火步骤可以降低电熔石英玻璃中石英玻璃的OH含量。

化学行为

"石英玻璃对大多数化合物(水,盐和酸)具有化学惰性,使其成为化学实验室和工业中的优势材料。它基本上不渗透气体。氢氟酸和磷酸是唯一可以在环境温度下蚀刻和分解石英玻璃的试剂。然而,碱土和碱土剂会侵蚀表面,导致加速失真。每平方厘米0.1毫克碱化合物可以放大以转化所有半稳定的分子。即使是含有微量碱的指纹也会引发失活。

热性能

"石英玻璃以其非常低的热膨胀系数(CTE)而闻名。热膨胀是指物体在其温度变化下响应的物体大小的分数变化。对于大多数材料,CTE与温度变化成正比。石英玻璃还具有优异的抗热冲击性,可以承受温度的突然和极端变化。石英玻璃还具有低导热性。

"石英玻璃从16300°C开始软化,在高温下像大多数玻璃类型一样起粘稠液体的作用。这种状态发生在很宽的温度范围内,粘度随着温度的升高而降低。粘度也会因杂质的存在而增加。

机械性能

"与其他玻璃类型相比,石英玻璃具有几乎相似的机械性能。石英玻璃具有很高的抗压强度,但也表现出高脆性。表面缺陷也会影响这种材料的整体强度。机器抛光的零件往往比火抛光的零件弱。此外,由于暴露在环境中,玻璃的年龄也会影响可靠性。

光学特性

"石英玻璃由于其广泛的光学透射特性而成为研究的主题,涵盖紫外线区域,可见光和红外波长。它可以通过添加掺杂材料进一步增强。透射率受石英玻璃纯度和OH含量的影响。金属杂质的增加以及OH分子振动和旋转激发会导致光吸收,从而影响随后的透射。

电气特性

"石英玻璃是一种优异的电绝缘体,在高温下保持高电阻率。它具有很高的介电强度。这是由于分子晶格中没有带电的移动离子和强大的硅氧键,这赋予了结构非常低的极化性......

第四章 石英玻璃的应用

"以下是石英玻璃的常见应用:

光学器件

"石英玻璃的大多数应用都利用其光学特性,因为它具有广泛的透明度范围和卓越的透光率,从紫外线到红外区域。石英玻璃不易被紫外线和高能辐射损坏。光可以以功能化的光路穿过石英玻璃,失真最小。具有光学应用的产品示例包括:棱镜、透镜、分束器、偏振片、反射镜和窗口。

照明设备

"高纯度石英玻璃用于各种灯具和照明系统,如汞灯、卤素灯、氙气灯、紫外线灯以及提供高温光源的弧光灯和灯丝灯。这些灯用于多个行业,其中包括食品和医疗行业的灭菌和清洁设备以及半导体行业的曝光设备。

化工设备和器材

"石英玻璃材料是一种很好但昂贵的替代品,因为它是化学惰性的,对于其他玻璃类型来说,这些玻璃类型无法承受特定用途的高温应用。常见应用包括玻璃器皿、板材和管材。

耐火材料

"熔融石英被用作制造耐火材料的材料,如坩埚,托盘,护罩和辊子,用于高温工艺,包括炼钢和玻璃生产。

第五章 石英玻璃的处理

"本节给出了处理或使用石英玻璃产品时的建议做法,以保持其有价值的特性并最大限度地延长其使用寿命:

操作说明

处理:

"如果石英玻璃在使用前后保持清洁,则可以长时间使用。即使是少量的杂质也会促进逐渐的失活。建议在处理石英玻璃时使用清洁无绒,无粉或棉手套,以防止进一步污染。

清洗:

"石英玻璃可以通过将其浸入>7%氟化氢铵溶液中不超过十分钟或>10%体积氢氟酸溶液中不超过五分钟来清洁。清洁后,必须用去离子或蒸馏水彻底冲洗并干燥。

存储:

"石英玻璃在不使用时必须储存在封闭的容器中,以保护其免受表面缺陷和水分的影响,这些缺陷和水分可能会影响石英玻璃的质量和性能。理想情况下,玻璃必须包裹。如果是管子,必须覆盖端开口。

操作注意事项

快速的温度变化:

"石英玻璃比其他玻璃类型更能抵抗极端高温和热冲击。但是,当石英玻璃较厚时,耐热性和抗热冲击性较低。此外,厚而不透明的玻璃产品会随着温度的快速变化而产生裂缝。

失真点以上的操作:

"在退火之前,石英达到变形点或应变点。当石英玻璃在变形温度(约11000°C)后非常迅速地冷却时,可能会再次发生变形。

使用不同的材料:

"石英玻璃具有相对较低的热膨胀系数。如果另一种系数明显较高的材料被附着、固定或夹紧,熔融石英可能会开裂。

放入熔炉时的注意事项:

"由于其低导热性,当玻璃局部加热或与火焰接触时,在高于变形点的温度下,玻璃表面可能会出现裂缝。此外,随着温度的升高,石英玻璃的粘度会降低。建议在将石英玻璃用作成品或作为其他设备或装置的组件时考虑所列举现象。

失活

"失活可以缩短石英玻璃的使用寿命,并彻底去除石英的所有理想特性。失活是将亚稳态石英玻璃转化为稳定的结晶石蜡石。当石英在高温下被加热到很长一段时间,或者当它被加热时,即使杂质附着在其表面,即使是少量的,也会发生这种情况。由于没有杂质存在,失行通常在12000°C开始,并随着温度的升高而加速。杂质会降低失活阈值。

结论

"石英玻璃因其卓越的光学性能(即透光率),低热膨胀系数和良好的耐化学性而受到重视。

"石英玻璃生产的起始原料是天然石英、培养石英或合成前体,如四氯化硅。

"石英的晶体结构包括强的共价硅氧键;单个分子形成四面体几何形状。SiO4分子网络形成六方棱镜形式的体心晶体。加工时,晶体结构转化为亚稳态,无定形石英玻璃。

"石英晶体经过粒径减小,为熔融过程做好准备。

"电熔产生I型玻璃。石英砂或晶体被送入耐火坩埚中,熔体被收集以形成各个部分。火焰熔化利用氢氧火焰。II型玻璃由晶体石英通过氢氧火焰产生;另一方面,III型玻璃是通过四氯化硅与火焰燃烧而产生的。产生IV型玻璃的等离子体熔变几乎与火焰熔化相似,除了这种方法中使用等离子体火焰。

"由此产生的石英玻璃经过进一步加工,转化为可利用的产品。
纯度是石英玻璃的一个重要方面。羟基(OH)基团会极大地影响石英玻璃的性能。石英玻璃对大多数化学试剂具有电阻性,但对碱性化合物敏感。

"石英玻璃用于制造光学设备,照明系统,耐火材料和化学设备。

"在处理石英玻璃时,必须遵守适当的预防措施,以保护其可靠性。玻璃必须始终保持清洁。在设计其应用时,必须考虑其热性能。

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