石英玻璃是什么？2个方向带你认识

　　石英是自然界中含量最丰富、分布最广的矿物之一。石英是地球表面唯一稳定的结晶二氧化硅多晶型物。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。

　　石英的化学式为SiO2。硅氧 (Si-O) 键是极性和共价键。元素硅含有四个价电子，使硅原子与四个氧原子键合。一个氧原子与两个硅原子结合，形成石英的体心四面体晶体系统。四面体晶系由四个角的氧原子和一个中心的硅原子组成。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°。网络状 SiO4 的结构是开放的，具有宽阔的空间，因此使石英具有六方晶形。

　　石英可以制造成石英玻璃，石英玻璃因其卓越的纯度而受到重视，并用于广泛的应用。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，因为它可能含有多种杂质;最常用的原材料是“培养石英”，即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。其中一个原因是它的热膨胀系数低、透气性高、光传输范围广。

　　2.石英玻璃的生产

　　本章介绍将原始石英转变为成型的熔融石英玻璃的步骤。

　　洗涤和烘干

　　天然石英中存在的污垢、水分和污染物在加工的早期阶段会被去除，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

　　此步骤的目的是将原始石英减小到适合要使用的熔合方法和机器的尺寸。天然石英经过一系列粉碎步骤，如粉碎和研磨(球磨或辊磨)。石英本质上非常脆，这使得粉碎非常容易。然后，分析颗粒尺寸并分离出较大的颗粒。

　　融合

　　在这个阶段，热能被用来打破强大的硅氧键。随着温度的升高，更多的键被破坏，导致石英的粘性降低。在成型和冷却至最终形式后，SiO2 分子的有序晶体结构转变为玻璃质、无定形结构和亚稳态石英。

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

　　电聚变

　　该方法生产工业上已知的 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。这种方法生产的低OH含量的石英玻璃具有较高的红外透射率，但玻璃表面存在美观的气泡和拉线。原料为天然石英颗粒，可分为以下生产方式：

• 连续模式：石英砂被连续送入包含电加热装置的难熔金属坩埚柱的顶部。坩埚的内腔保持干燥且真空密封的气氛，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柱底部的孔口中，在该孔口中将其成型并切割成板、管和棒。这种方法适用于大批量制造。
• 批量或 Boule 模式：将大量石英放置在一个内衬耐火材料的真空室中，该真空室还包含一个电加热装置。石英熔化后，粘性熔体被收集并成型为最终形式。这种方法用于制造具有更复杂形状和细节的石英玻璃。火焰融合

　　在该方法中，天然石英或合成前体可以是起始材料。天然石英通过具有高温氢/氧 (H2/O2) 火焰的腔室，直到原材料熔化。如果使用四氯化硅 (SiCl4)，一种气态合成前体，它会与 H2/O2 火焰发生反应。粘性熔体沉积在衬有耐火材料的真空室中，由容器底部的模具缓慢收集，并成型为最终形状。由于与 H2/O2 火焰直接接触，该方法生产的石英玻璃的 OH 含量为 150-200 ppm，来自天然石英，而合成二氧化硅的 OH 含量高达 1000 ppm。

　　通过火焰熔融由水晶石英制成的玻璃属于 II 型，而由合成前驱体制成的玻璃属于 III 型。III 型合成石英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。

　　等离子聚变

　　该过程类似于火焰融合，使用无水蒸气的等离子火焰作为热源。等离子熔融石英玻璃纯度高，OH含量低，气泡含量少，无拉丝。

　　天然石英或合成前体可能是该方法的起始材料。合成前体在等离子火焰中燃烧产生的石英玻璃被称为 IV 型。

　　电弧聚变

　　石英砂在电弧炉中熔化。将得到的玻璃锭压碎成型;成型的零件被干燥和烧结。这种方法生产的石英玻璃是白色不透明的，一般不属于任何类型的石英玻璃。然而，就纯度水平而言，它可与透明石英相媲美。

　　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

　　由于其硬度，石英玻璃的成型和成型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，并且在破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、劈锯、CO2 激光器和水刀切割机切割石英玻璃。使用激光切割机可以留下光滑的切割，而使用锯切割的石英玻璃会留下粗糙的切割。如果单次切割不够，厚石英玻璃板可能需要多次连续切割。可能需要退火以减轻热应力并防止其破碎。

　　钻孔：如熔融石英玻璃产品中所述，可以使用金刚石钻孔机钻孔。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：石英玻璃表面可能会变得光滑，其厚度可能会减少，具体取决于最终用途。

热成型

石英玻璃的高熔点和陡峭的粘度使其热成型非常复杂，因此可以在非常窄的温度范围内成型。如果温度太低，玻璃是固体;如果温度太高，玻璃的粘性和挥发性会降低，从而导致零件蒸发。除此之外，需要单个或多个退火步骤以减轻热应力并防止由热成型引起的断裂。以下是制造商可以使用的一些热成型方法来增强玻璃产品：

　　焊接：石英玻璃的两个组件通过焊接连接在一起。每个组件的末端都被加热，一块石英玻璃被熔化以填充接缝或接缝处的间隙。为了避免热应力，保持足够高的温度是至关重要的。

　　折叠：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。

　　伸长和压缩：施加正或负径向力以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，必须施加最佳的力以防止破裂和开裂。

　　玻璃吹制：一块熔融石英玻璃在吹管的帮助下膨胀以获得中空形状。