中國粉體網訊 石英玻璃是由單一的二氧化硅組成的玻璃，具有純度高、化學穩定性好、光譜透過寬、抗熱沖擊、耐高溫變形、耐宇宙射線和耐輻射、電絕緣等特點，被新材料領域專家譽為“玻璃之王”，是現代信息產業、光學、光伏、半導體等國家戰略性新興產業和航空航天等國防領域發展中不可或缺的重要基礎性材料。
來源：菲利華
石英玻璃中的常見缺陷
石英玻璃的性質與其純度密切相關。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。石英玻璃中常見的缺陷可分為結構缺陷和宏觀缺陷兩大類。
結構缺陷
結構缺陷是指在石英玻璃的原子網格結構中引入雜質所導致的缺陷，主要包括羥基和金屬雜質等。雜質的引入破壞了石英玻璃原有的網格結構，因而導致其各項性質發生改變，其中影響最大的是光學性質。石英玻璃中的金屬雜質會引起紫外光譜的吸收，而羥基會引起紅外光譜的吸收。此外，羥基的存在還會降低石英玻璃的化學穩定性、結構強度、耐熱性和光學均勻性等。在半導體工業中，石英玻璃中的金屬雜質超標會直接影響到產品的電特性。光學不均勻性也屬于石英玻璃的結構缺陷，該缺陷往往由石英玻璃的制備工藝造成，且對其光學應用有著重要影響。堿金屬雜質和羥基的存在還會促使石英玻璃在高溫環境下發生析晶。
宏觀缺陷
石英玻璃中的宏觀缺陷通常是由原料不純或制備工藝不當引起的，常見的宏觀缺陷包括氣泡、包裹物、條紋以及熱應力導致的開裂等。熔融石英的粘度非常大，因此氣泡在其中很難被去除。氣泡的產生主要與石英玻璃的熔制過程有關，不當的熔制方式會導致內部未熔化的石英原料被外表面的熔融石英所包裹，從而阻礙了氣泡的逸出。石英玻璃的熱應力出現在冷卻過程中，是由玻璃不同部位的溫差引起的。熱應力不均勻會導致石英玻璃的光學不均勻性增加，熱應力過高時甚至會導致石英玻璃的開裂。與結構缺陷不同，宏觀缺陷的產生往往意味著石英玻璃產品的報廢，因此在實際生產中需要對制備工藝進行嚴格的控制。
如何提升石英玻璃性能
◐提升原材料處理工藝
天然原材料內部會有不同含量的雜質，如今工業生產中就是將石英礦提純。我國含二氧化硅的偉晶巖礦量較多，但是礦產比較分散，規模小，且礦內的雜質多，品質不穩定，這些都增大了石英砂的提純技術工藝的難度。從原材料處理方面來說，要研究如何更好地去除石英砂中的包裹體和雜質，或選用其他含硅的材料去替代石英砂。
◐改進生產工藝
高純石英砂在高溫熔制過程中，會產生氣泡、顆粒、條紋、內應力、羥基等結構缺陷，因此需要通過后續的高溫均化、精密退火、脫羥等工藝進行改進。
高溫均化
高溫均化的過程是不均體的溶解（如未熔融的石英顆粒和氣泡）和分子離子的擴散（如金屬雜質離子和羥基）。高溫均化的工藝參數主要有溫度、壓力、均化時間等，石英玻璃在合適的溫度和壓力條件下，均化一定的時間能有效改善材料的結構均勻性與性能穩定性。高溫均化可基本消除石英玻璃中10mm以上的大氣泡、50μm以下的小氣泡、尺寸較小的顆粒和條紋，以及使羥基分布更均勻。但高溫均化不能消除石英玻璃中的熱應力，需通過精密退火工藝來消除。
退火
石英玻璃在熔制和熱加工的冷卻過程中，內外溫差會產生熱應力，應力的存在和不均勻分布會大大降低石英玻璃的光學均勻性、機械強度和結構穩定性。精密退火工藝可消除或減小熱應力至允許值，改善由溫差變化造成的密度和折射率不均勻現象，進而提高熔融石英玻璃各項性能。退火過程中最主要的因素有：退火溫度、加熱與冷卻速度、保溫時間，每一步都關系到石英玻璃內部應力去除的程度。石英玻璃熱穩定性能較好，所以升溫對其影響不大，最主要的是退火溫度及保溫時間，這能保證消除石英玻璃中的內應力，使石英玻璃內部的結構趨于一致；而降溫階段的控制是為了防止產生二次應力。
脫羥
羥基主要出現在電熔工藝和氫氧焰制備的石英玻璃中，其中電熔工藝制備的石英玻璃中羥基主要是石英粉料中殘留的包裹體所帶的水造成的，電熔石英玻璃的羥基主要來源于高純石英砂原料中的流體包裹體，該材料中的羥基量少且處于亞穩態，加熱較容易去除。
氫氧焰制備的石英玻璃的羥基主要是氫氧焰帶來的。氫氣和水極易與二氧化硅中的氧反應生成羥基，該材料中的羥基在較高的溫度下才開始減少，因此需在高溫真空的條件下脫羥。
高溫真空脫羥工藝是將石英玻璃置入脫羥爐的密閉加熱室內，先抽真空至內部壓力達5×10−1~5×10−4Pa，然后將溫度逐漸升至950~1250℃，在升溫過程中約400~500℃時放氣量最大，真空度會下降，這時停止加熱，當真空度達到設定的溫度時，再升溫，保持恒溫焙燒5~20h，同時繼續抽真空保持氣壓穩定在5×10−1~5×10−4Pa。冷卻后恢復常壓，取出樣品。另外，石英玻璃的脫羥效果會受原料純度和制備工藝影響。
總之，在石英玻璃的生產工藝中，可以通過調整和穩定工藝參數，保證生產持續僅需，后續加工中，通過退火、火拋、脫羥等熱加工處理工藝可以有效地去除雜質、氣體，減少析晶或氣泡雜質等缺陷，提高石英制品的質量。
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
（中國粉體網編輯整理/初末）
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