石 英 玻 璃
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