中國粉體網訊 石英玻璃以天然結晶石英（水晶或高純硅石）或硅化合物為原料，在潔凈環境中經高溫熔制而成，具有一系列優良的物理化學性能。石英玻璃被廣泛應用于需要高溫、潔凈、耐蝕、透光、濾波等特定的高新產品生產工藝環境中，是半導體、航空航天、光通訊等領域不可或缺的重要材料。
石英玻璃的性能
來源：菲利華招股說明書、中國電子信息產業統計年鑒，民生證券研究院
石英玻璃的性能與其純度密切相關，在石英玻璃的制備過程中不可避免的會引入各種雜質，進而導致石英玻璃中缺陷的產生和性質的改變。石英玻璃的缺陷產生主要有兩個方面的原因：原材料，生產工藝。如果原材料的純度不夠，則生產出來的石英也會有各種問題，氣泡、雜質、羥基含量高、析晶嚴重以至于其各種性能都不能達標。如果工藝上控制不嚴格，出現羥基、內應力、條紋及微觀結構缺陷，同樣會降低石英材料的性能指標。
石英玻璃原料純度
判斷石英玻璃原料純度高低的指標是原料中堿金屬(Li、Na、K)、過渡金屬元素(Fe、Cr、Mn、Ni、Cu)以及Al、B和Ti等金屬元素含量的多少。
國標規定透明石英玻璃的雜質含量
雜質對石英玻璃的影響最明顯的是析晶行為，堿性金屬對石英玻璃的影響最為嚴重。Li、Na、K等堿金屬在熔融石英玻璃結構中具有極強的助熔作用，導致石英玻璃的失透和高溫變形，其次，堿金屬會影響石英玻璃的熱學特性和光學特性，降低電光源、半導體等的使用壽命；除此之外，堿金屬還能增大熔融石英玻璃的介電系數和介電損耗，影響石英玻璃的介電性能和機械強度。
過渡金屬超標會影響石英玻璃導電性，透光性，也會造成析晶現象。過渡金屬元素Fe、Cr、Mn、Ni、Cu等都有多種氧化態，常呈一定的顏色，對熔融石英玻璃質量影響特別嚴重。比如微量過渡金屬元素會降低熔融石英玻璃的導電性，對儀器的可靠性和預見性起負面作用，還會使其產生色斑或高溫變色，影響透光性能。
Al、B過高，材料硬而脆，強度降低。石英中Al、B和Ti含量與礦床地質有直接關系，Al、B和Ti進入石英晶格中產生較強的化學鍵，是石英中最難脫除的雜質元素。這些元素含量過高會嚴重影響石英玻璃的析晶行為，導致石英玻璃硬而脆，強度降低。
石英雜質的另一個來源是包裹體。天然石英中通常含有礦物包裹體、熔融包裹體和流體包裹體，包裹體的種類和含量主要取決于礦物的成巖環境和結晶學的變化。石英中的礦物包裹體和熔融包裹體由于粒度極細且被石英嚴密包裹，很難在不破壞石英晶體的條件下通過選冶方法除掉。流體包裹體對高純石英的影響首先表現在流體包裹體中富含金屬離子，是影響石英純度的主要因素之一。其次流體包裹體在石英熔融過程中不會完全爆裂，熔化前未爆裂的流體包裹體會在熔融石英玻璃中形成氣泡缺陷。
原料的粒度分布和顆粒形狀
原料的粒度分布不均勻會導致石英玻璃的氣泡和微量晶核的產生。比如在熔制過程中，由于表面活化能的不同，小顆粒石英比大顆粒石英優先熔化，先熔化的石英溶液包覆于未熔化的石英表面，使大顆粒不易徹底熔化，形成顆粒缺陷，產生顆粒晶核，加速析晶。此外，小顆粒間隙所包含的氣體量多，增大了熔化排氣難度。不同的石英玻璃熔制工藝所需的原料粒度分布不同，比如，電熔工藝一般要求石英砂的粒度范圍為40~80目，60~120目或80~140目；氣煉工藝一般要求石英砂的粒度范圍為80~200目；等離子體熔制工藝一般要求石英砂的粒度范圍為120~200目。
原料的顆粒形狀也是影響石英玻璃產生工藝氣泡的原因之一。在高純石英砂的熔制過程中，長徑比大的針狀顆粒易形成架棚現象，使下料不暢，導致玻璃制品出現工藝氣泡。為了減少架棚現象，增加石英砂的流動性，要求石英砂為粒狀，長徑比盡量接近1:1，近似球形。因此，必須對原料的粒度分布與顆粒形狀進行嚴格控制。
石英玻璃的生產工藝
石英玻璃制備過程中，由于溫度的影響，會出現三種缺陷：第一種是在石英內部出現的未熔顆粒，主要出現在熔融石英玻璃中；第二種是在石英玻璃表面出現的條紋，這種缺陷主要是在以SiCl4為原材料的石英玻璃中出現，這兩種缺陷都是因為溫度場分布不均勻；第三種是石英玻璃冷卻過程中內外部產生溫度差導致內應力的出現，使其內部結構處于亞穩定狀態，降低機械強度和熱穩定性。
在相同原材料、不同工藝條件下，石英玻璃的雜質及羥基含量差異很大。
目前生產石英玻璃的工藝方法主要有電熔法、氣煉法、等離子體沉積法等方法。電熔法出品率高且經濟，是國內最為普遍的工藝方法，采用電熔法制備的石英玻璃，其品質主要取決于原料的純度。石英原料中的金屬雜質通常很難去除，因此電熔石英玻璃中的金屬雜質一般含量較高且難以控制。通過烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用電熔法可以制備出羥基含量較低的石英玻璃。氣煉法制備的石英玻璃雖然能減少雜質含量，但是成品的羥基含量過高；等離子體沉積法能同時解決雜質和羥基含量，但是成本高，所以實現大量產業化較為困難。
參考來源：
張玉等.石英玻璃的發展現狀及趨勢
譚琦等.熔融石英玻璃制備工藝研究進展
馬千里.高純石英玻璃制備過程的研究和工藝優化
民生證券.菲利華.高端石英材料龍頭，產業優勢地位突出
（中國粉體網編輯整理/初末）
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