第一章石英玻璃PPT
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石英玻璃
表1石英玻璃的化学纯度单位 ×
失透性
石英玻璃失透（又叫析晶性）是石英玻璃的一个固有缺陷，从热力学观点看，石英玻璃的内能高于结晶态方 石英，属热力学上不稳定的亚稳态，当温度高于1000℃时，SiO2分子振动加速，经一段较长时间的重新排列、定 向便形成结晶。失透性是以晶核成长速度来表示的，不透明石英玻璃在1520℃、透明石英玻璃在1620℃析晶速度 分别达到最大值。
而在富氢的还原性气氛下熔制的石英玻璃如以H2为保护性气体的连熔炉熔制的石英玻璃，由于氧缺陷的存在， 石英玻璃中的羟基亚稳状态，很容易扩散放出H2，如1~1.5mm厚的炼熔石英玻璃管在真空或流动的干燥N2、 1050℃的脱羟条件下，经过2h即可脱出90%以上的羟基。
同样，若在富氢的还原性气氛下合成或气炼的石英玻璃，相同脱羟条件，也可大幅度增加脱羟量。
化学性能
石英玻璃属酸性材料，除氢氟酸和热磷酸外，对其它任何酸均表现为惰性，是最好的耐酸材料。在常温下碱 和盐对石英玻璃的腐蚀程度也是极微的，因此不排除在这些试剂中使用石英玻璃。
透明石英玻璃比不透明石英玻璃具有更好的化学稳定性，这是因为后者由于气泡的存在暴露在腐蚀液中的表 面积增加所致。
石英玻璃不吸湿，不风化。石英玻璃对所有碱和碱土化合物都非常敏感，这些化合物极轻微的痕量也会促使 石英玻璃在高温下产生析晶。
纯度
概述
详细
石英玻璃纯度是石英玻璃的重要指标，对理化性能和使用性能影响甚大，如失透性、高温强度、软化点、光 的传导、热稳定性、化学稳定性、耐辐射性、荧光特性等；此外，用于半导体工业的石英玻璃，对纯度的要求更 为苛刻，微量的杂质将给半导体材料的电性能和寿命以及集成度带来严重的影响。由于半导体材料的纯度要求控 制在ppb数量级以下，因此石英玻璃则应控制在PPm数量级以适应半导体工业的需要。B的分凝系数近于1,最难除 掉，是最有害的杂质之一，Cu、Fe、Ti等影响半导体的少子寿命，K、Na、Li是单晶材料产生微缺陷的有害杂质。
玻璃 课件.ppt
B2O3为主要成分 钾玻璃（硬玻璃）以K2O代替钠玻璃中
的部分Na2O，适当提高SiO2含量
30
2.5.2.3 特种玻璃
• 钢化玻璃
– 淬火产生内应力，导致表面增强
• 无色光学玻璃
– 可见光波长范围内吸光性极低——高纯度 – 高折射率——增加氧化钡、氧化铅含量
• 导电玻璃
– ITO（Indium Tin Oxide）玻璃导电
41
普通陶瓷vs特种陶瓷
原料 纯度 成型
功能
普通陶瓷
特种陶瓷
天然矿物原料
人工精制合成原料
纯度较低
纯度较高
注浆、可塑成型为主 容器或艺术品
压制、热压铸、注射、 扎膜、流延等静压成型 为主
工业材料、科技材料
42
ห้องสมุดไป่ตู้
4 陶瓷制备
工艺流程
• 普通陶瓷：
– 材料精选（矿物精选）化学处理原料粉化 制备陶瓷粉生坯（成型）烧结机械加 工陶瓷成品。
2.5.3.1 陶瓷的定义 Definition of Ceramics
• Traditional：
– 陶瓷——所有以粘土为主要原料与其它天然 矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过 程而制成的各种制品
• General ：
– 陶瓷——用陶瓷生产方法制造的无机非金属 固体材料和制品的通称。
37
陶瓷一般结构与基本性质
52
玻璃与陶瓷
• 玻璃转变温度Tg是区分玻璃与其它非晶态固体的重要特征。 ★传统玻璃：TM>Tg 传统玻璃熔体与玻璃体的转变是可逆
的，渐变的。 ★非晶态固体：TM<Tg 二者的转变不可逆。
Tg：玻璃形成温度（脆性温度）TM：析晶温度
的部分Na2O，适当提高SiO2含量
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2.5.2.3 特种玻璃
• 钢化玻璃
– 淬火产生内应力，导致表面增强
• 无色光学玻璃
– 可见光波长范围内吸光性极低——高纯度 – 高折射率——增加氧化钡、氧化铅含量
• 导电玻璃
– ITO（Indium Tin Oxide）玻璃导电
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普通陶瓷vs特种陶瓷
原料 纯度 成型
功能
普通陶瓷
特种陶瓷
天然矿物原料
人工精制合成原料
纯度较低
纯度较高
注浆、可塑成型为主 容器或艺术品
压制、热压铸、注射、 扎膜、流延等静压成型 为主
工业材料、科技材料
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ห้องสมุดไป่ตู้
4 陶瓷制备
工艺流程
• 普通陶瓷：
– 材料精选（矿物精选）化学处理原料粉化 制备陶瓷粉生坯（成型）烧结机械加 工陶瓷成品。
2.5.3.1 陶瓷的定义 Definition of Ceramics
• Traditional：
– 陶瓷——所有以粘土为主要原料与其它天然 矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过 程而制成的各种制品
• General ：
– 陶瓷——用陶瓷生产方法制造的无机非金属 固体材料和制品的通称。
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陶瓷一般结构与基本性质
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玻璃与陶瓷
• 玻璃转变温度Tg是区分玻璃与其它非晶态固体的重要特征。 ★传统玻璃：TM>Tg 传统玻璃熔体与玻璃体的转变是可逆
的，渐变的。 ★非晶态固体：TM<Tg 二者的转变不可逆。
Tg：玻璃形成温度（脆性温度）TM：析晶温度
第一章石英玻璃-PPT课件
石英玻璃的膨胀系数曲线
c. 比热和导热系数：
石英玻璃的比热和导热系数随温度的升高而增大。 石英玻璃不同温度的比热 石英玻璃的导热系数λ 温度（℃）平均比热 温度（℃） 导热系数 100 0.185 透明石英玻璃 不透明石英玻璃 200 0.200 20 0.00331 0.00297 400 0.233 200 0.00394 0.00386 600 0.254 400 0.00447 0.00453 800 0.260 600 0.00484 0.00503 1000 0.264 800 0.00514 0.00534 1200 0.270 1000 0.00547 0.00550 1200 0.00581 0.00569
石英玻璃
方石英
二、性能：
1. 纯度：
a. 透明石英玻璃： 气炼石英玻璃：SiO2 99.97％以上； SiCl4直接气炼石英玻璃：SiO2 99.9999％以上； 高纯石英玻璃：SiO2 99.999％以上。 b. 不透明石英玻璃：SiO2 99.5％以上。
2. 电学性质：
石英玻璃是一种优良的绝缘材料，在高温下仍能保持很高的介 电强度和电阻，而且几乎没有损耗，（OH）－和杂质将使介电强度 降低， tanδ 增加。 石英玻璃的介电强度和介电损耗(50Hz ) 电性能 温度（℃） 透明石英玻璃 不透明石英玻璃 介电损耗tanδ 20 0.0003 0.001 介电强度 200 32 25
1. 高纯石英玻璃：SiO2六个九～七个九，光谱仪、分光光度计、 荧光计零件； 2. 石英纤维和石英棉：（Φ ∝3～25 μ m）宇宙飞船防热罩、太 阳能电池遮盖材料、 光通讯用光导纤维； 3. 低膨胀石英玻璃：（加入钛等，可使α ∝0）原子钟腔体，宇宙 飞行器窥窗； 4. 吸收紫外线石英玻璃：（加入Cr、V、Ni、Co、Mn、Cu） 杀菌（医、食）石英玻璃、日光（坑道采光）石英玻璃； 5. 荧光石英玻璃：分析蛋白质的化学组成，食品、药物、塑料等 的检测； 6. 石英陶瓷：石英玻璃废料经粉碎、成型、烧结而成； 7. 乳白石英玻璃：（4～8 μ m、11 μ m后有较强的选择反射光 谱带）远红外辐射电加热器材料。
石英玻璃工艺与材料PPT课件(共64张PPT)
• 长石掺入量视矿石化学成分及配方而异， 一般胎料加入20～30％，釉料中加入10～ 35％。
• 长石最重要的性质是有宽的熔融范围，较 高的高温粘度，和良好的熔解其它物质的 能力。
• 二、釉料
• 釉是一种近似于玻璃的物质，覆盖于陶瓷器物的表 面。
• 它利用某些天然矿物和化工原料，按一定的比例 配制，经高温作用熔融后覆盖于坯体表面，具有 抗酸碱性强（氢氟酸和热碱除外）、不透气、不 透水、质地致密、光滑、有光泽、硬度大等性能。
2、粘土的工艺性能
• 1）粘土的可塑性 • 粘土与适量的水混练以后形成的泥团在外力作用下
产生变形但不开裂，当外力去掉后，仍能保持其形状 不变的这种性质称为可塑性。可塑性是塑性法成形的 基础。 • 2）粘土的结合性 • 粘土塑性泥团干燥后，变得坚实，具有一定的强度， 能够维持粘土颗粒之间的相互结合而不散，这种性能 称为粘土的结合性。
• 4、分相析晶釉
• 与分相釉的作用不同。一般是经过液相分 离，使某一组成在液滴相中富集而导致析 晶。
• 有学者提出：由于析晶使析晶附近的液相 分相。
• 如福建建窑产的“建盏”釉，南宋官窑、 汝窑都有分相析晶。
• 5、开片釉或纹片釉 而未熔化的石英则与莫来石构成架，防止弯曲、变形等，使瓷器具有机械强度，增加瓷器透光度和白度。
如福建建窑产的“建盏”釉，南宋官窑、汝窑都有分相析晶。 龙窑使用时间：商周以降，明清至今。
强度、硬度、耐磨性和耐化学浸蚀性的指 以粘土、砖或砖坯依倾斜的山坡构筑而成，由下自上，呈长条形，象龙蛇状，故名龙窑，也称蛇窑、蜈蚣窑。
4、X射线衍射仪(XRD) 在釉料中石英是玻璃相的主要来源，增加石英含量可以使釉熔融温度与粘度提高，同时减少釉的热膨胀系数，提高釉的机械强度、硬度、耐磨
• 长石最重要的性质是有宽的熔融范围，较 高的高温粘度，和良好的熔解其它物质的 能力。
• 二、釉料
• 釉是一种近似于玻璃的物质，覆盖于陶瓷器物的表 面。
• 它利用某些天然矿物和化工原料，按一定的比例 配制，经高温作用熔融后覆盖于坯体表面，具有 抗酸碱性强（氢氟酸和热碱除外）、不透气、不 透水、质地致密、光滑、有光泽、硬度大等性能。
2、粘土的工艺性能
• 1）粘土的可塑性 • 粘土与适量的水混练以后形成的泥团在外力作用下
产生变形但不开裂，当外力去掉后，仍能保持其形状 不变的这种性质称为可塑性。可塑性是塑性法成形的 基础。 • 2）粘土的结合性 • 粘土塑性泥团干燥后，变得坚实，具有一定的强度， 能够维持粘土颗粒之间的相互结合而不散，这种性能 称为粘土的结合性。
• 4、分相析晶釉
• 与分相釉的作用不同。一般是经过液相分 离，使某一组成在液滴相中富集而导致析 晶。
• 有学者提出：由于析晶使析晶附近的液相 分相。
• 如福建建窑产的“建盏”釉，南宋官窑、 汝窑都有分相析晶。
• 5、开片釉或纹片釉 而未熔化的石英则与莫来石构成架，防止弯曲、变形等，使瓷器具有机械强度，增加瓷器透光度和白度。
如福建建窑产的“建盏”釉，南宋官窑、汝窑都有分相析晶。 龙窑使用时间：商周以降，明清至今。
强度、硬度、耐磨性和耐化学浸蚀性的指 以粘土、砖或砖坯依倾斜的山坡构筑而成，由下自上，呈长条形，象龙蛇状，故名龙窑，也称蛇窑、蜈蚣窑。
4、X射线衍射仪(XRD) 在釉料中石英是玻璃相的主要来源，增加石英含量可以使釉熔融温度与粘度提高，同时减少釉的热膨胀系数，提高釉的机械强度、硬度、耐磨
第一章第三节
显然，具有与石英相同的谐振特性，其 Q 值高于
LC回路，低于石英晶体。
1.3.2
1.3.3、表面声波滤波器
表面声波滤波器的结构如图1.3.7所示。
图1.3.7 表面声波滤波器结构示意图
1.3.3
简单工作原理
电信号由交叉指形换能器转换成声波。换能器 的工作原理是利用压电衬底对电场作用时的膨胀 和收缩效应。图1.3.7中表面声波滤波器电场是由 沉积在压电衬底表面的两个平行交错(即交叉指形) 的薄膜金属电极上的电位差形成的。一个时变电 信号(交流信号源供给)输入，引起压电衬底振动， 并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波有 表面波和体波，但主要是表面波。在压电衬底的 另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电 信号。
1.3.1
3、石英晶体的电特性 （1）石英晶体特有的正、反两种压电效应 :
正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以 张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生 正、负电荷，呈现出电压。
负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交 变电压，称为机械振动。
1.3.1
图1.3.8所示为一接有声表面波滤波器的预中放电路， 滤波器输出端与一宽带放大器相接。
1、等效电路
由于各谐波频率相
量～性较为为，几模小（（值十数，0几很）.0，十大1H～值m；，
隔较远，相互影响
0.1）pF；
很小。晶对体作于为某介一质具的静态
体音频性基应）率，（频图虑次用，附因大电介b效（或（基泛）。（只近此容电几电工a频音等。常如须的可与）～C路作及的效有其数石工考电以0几是。于?关数、各等。英十作虑路用考泛。值极?片)于此特图dpS一板厚F，般面度较为积、
沿弹性体表面传递的声波，有n节换能器，（n+1） 个电极或 N ? n个2 周期段。指间距b、指宽a决定声波波 长。
LC回路，低于石英晶体。
1.3.2
1.3.3、表面声波滤波器
表面声波滤波器的结构如图1.3.7所示。
图1.3.7 表面声波滤波器结构示意图
1.3.3
简单工作原理
电信号由交叉指形换能器转换成声波。换能器 的工作原理是利用压电衬底对电场作用时的膨胀 和收缩效应。图1.3.7中表面声波滤波器电场是由 沉积在压电衬底表面的两个平行交错(即交叉指形) 的薄膜金属电极上的电位差形成的。一个时变电 信号(交流信号源供给)输入，引起压电衬底振动， 并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波有 表面波和体波，但主要是表面波。在压电衬底的 另一端可用第二个叉指形换能器将声波转换成电 信号。
1.3.1
3、石英晶体的电特性 （1）石英晶体特有的正、反两种压电效应 :
正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以 张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生 正、负电荷，呈现出电压。
负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交 变电压，称为机械振动。
1.3.1
图1.3.8所示为一接有声表面波滤波器的预中放电路， 滤波器输出端与一宽带放大器相接。
1、等效电路
由于各谐波频率相
量～性较为为，几模小（（值十数，0几很）.0，十大1H～值m；，
隔较远，相互影响
0.1）pF；
很小。晶对体作于为某介一质具的静态
体音频性基应）率，（频图虑次用，附因大电介b效（或（基泛）。（只近此容电几电工a频音等。常如须的可与）～C路作及的效有其数石工考电以0几是。于?关数、各等。英十作虑路用考泛。值极?片)于此特图dpS一板厚F，般面度较为积、
沿弹性体表面传递的声波，有n节换能器，（n+1） 个电极或 N ? n个2 周期段。指间距b、指宽a决定声波波 长。
中职 电子材料与元器件第一节 石英晶体电子课件 (高教版)
中职 电子材料与元器件第一节 石英晶体电子课件 （高教版）
第九章 谐振元件
• 由物理学可知，按照一定轴向切割下来的石英单晶（水晶）片， 具有高稳定的物理化学性能与弹性振动损耗极小的特性。若在 晶片的两极板间加上电场，晶体就发生机械变形；若在两极板 间施加力的作用，晶体就会在相应的方向上产生电场。这种现 象称为压电效应，如图9-1-1（a）所示。若在极板间加交变电 压，晶体就会发生机械振动，同时机械振动又会产生交变电场 。一般情况下这种机械振动的振幅和交变电场的幅值都非常微 小，但当外加交变电压的频率与晶体的固有频率或谐振频率（ 晶体的尺寸决定）相等时，振动会变得很强烈，这就是晶体的 压电谐振特性，如图9-1-1（b）所示。
5
实例示范：
根据课文主题组织实物供学生按要求认识学习。
（a）
（b）
（c）
（d）
6
基本知识：
一、石英晶体谐振器
7
二、石英晶体谐振器的主要参数
• 标称频率 • 基准温度 • 调整频差 • 温度频差 • 负载谐振电阻 • 静态电容 • 负载电容 • 激励电平 • 老化率 • 温度范围
8
三、石英晶体谐振器型号命名方法 四、石英晶体谐振器举例
4.焊接石英晶体谐振器时，电烙铁不应漏电，其外壳应有 良好的接地。
5.供电电源应接有能消去浪涌脉冲的合适滤波电容器。 6.注意晶振的温度范围，特别是使用高精度晶振构成的高
精度、高稳定度振荡器时，一定要选好其温度的适用范 围，并在电路中加合适的恒温措施。
11
练习：
• 9-1-1
12ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Thank You!
4
第一节 石英晶体
• 石英晶体即石英晶体谐振器，俗称晶振。它是构成各种 高精度振荡器的核心元件，具有品质因数高（一般可达 104~106），频率与温度的稳定性好等特点。石英晶体作 为单独元件使用，就是石英晶体谐振器；若把它与半导 体器件及阻容元件组合使用，就构成了石英晶体振荡器。 石英晶体振荡器一般都封装于金属盒内，金属盒外留供 外电路连接的功能引脚。
第九章 谐振元件
• 由物理学可知，按照一定轴向切割下来的石英单晶（水晶）片， 具有高稳定的物理化学性能与弹性振动损耗极小的特性。若在 晶片的两极板间加上电场，晶体就发生机械变形；若在两极板 间施加力的作用，晶体就会在相应的方向上产生电场。这种现 象称为压电效应，如图9-1-1（a）所示。若在极板间加交变电 压，晶体就会发生机械振动，同时机械振动又会产生交变电场 。一般情况下这种机械振动的振幅和交变电场的幅值都非常微 小，但当外加交变电压的频率与晶体的固有频率或谐振频率（ 晶体的尺寸决定）相等时，振动会变得很强烈，这就是晶体的 压电谐振特性，如图9-1-1（b）所示。
5
实例示范：
根据课文主题组织实物供学生按要求认识学习。
（a）
（b）
（c）
（d）
6
基本知识：
一、石英晶体谐振器
7
二、石英晶体谐振器的主要参数
• 标称频率 • 基准温度 • 调整频差 • 温度频差 • 负载谐振电阻 • 静态电容 • 负载电容 • 激励电平 • 老化率 • 温度范围
8
三、石英晶体谐振器型号命名方法 四、石英晶体谐振器举例
4.焊接石英晶体谐振器时，电烙铁不应漏电，其外壳应有 良好的接地。
5.供电电源应接有能消去浪涌脉冲的合适滤波电容器。 6.注意晶振的温度范围，特别是使用高精度晶振构成的高
精度、高稳定度振荡器时，一定要选好其温度的适用范 围，并在电路中加合适的恒温措施。
11
练习：
• 9-1-1
12ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Thank You!
4
第一节 石英晶体
• 石英晶体即石英晶体谐振器，俗称晶振。它是构成各种 高精度振荡器的核心元件，具有品质因数高（一般可达 104~106），频率与温度的稳定性好等特点。石英晶体作 为单独元件使用，就是石英晶体谐振器；若把它与半导 体器件及阻容元件组合使用，就构成了石英晶体振荡器。 石英晶体振荡器一般都封装于金属盒内，金属盒外留供 外电路连接的功能引脚。
第1章玻璃的粘度和表面张力
包括电导、电阻、粘度、化稳性等。
在[Tg,Tf]内逐渐变化
2.非迁移性质
LgB
和玻璃成分间关系简单，符合 加和法则。
包括折射率、色散、弹性模量、硬 度、热膨胀系数、介电常数等。
在[Tg,Tf]内突变。
转变区
1 T 转变区
T
3.其它性质
光吸收、颜色等。是由于电子在离子内跃迁、在不同离 子间的电荷迁移及原子或原子团的振动引起。
式中、和可从下式求出：
B
T T0 lg A
• A= —1.4788 Na2O +0.8350 K2O+1.6030 CaO+5.4936 MgO— 1.5183 Al2O3+1.4550
• B = —6039.7 Na2O —1439.6 K2O—3919.3 CaO+6285.3 MgO+2253.4Al2O3+5736.4
（2）富尔切尔（Fulcher）法
• 适用 :其成分以相对于SiO2为1.00mol含量来表示，即以氧化物
的mo摩l；尔C数aO/ S0i.1O22~摩0.2尔0数m表ol；示M。gSOiO0.2010.~000.m05o1l；moNl；a2O 0.15~0.20
Al2O30.0015~0.073mol • 粘度—温度关系式：
—玻璃液密度（g/m3）； V—球运动速度（m/s）
特点：设备结构简单，容易制造，准确度较高；操作不方便， 粘度值测定范围较窄
粘度的测量
（3）压入法
• 本法测定玻璃粘度范围为107 1012 Pa•s。
• 此法是在平板试样上，用加有一定负荷的针状、 球状或棒状的压头压入，从压头压入的速度求粘度 的方法。粘度可由下式算出。
第一章石英玻璃
第一章 石英玻璃
石英玻璃是由纯净的天然水晶、石英石（包括脉 石英、石英砂）或人工合成原料经熔化而制得。 自然界中的石英，从地壳表面往下十六公里，几 乎有65％，普通形状为细小的无规则颗粒。
水晶是无色透明结晶完整的石英，是β －石英的 变体。
一、结构：
1. 非晶态SiO2呈四面体排列，其基本结构特征都为 [SiO4]4-排列。 三个基本的原子间距分别为：Si-O 1.62Å ，O-O 2.65Å ，Si-Si 3.12Å ；Si-O-Si键角分布中最大值为 1440±10％。
2. 晶态与非晶态SiO2的异同：
a. 同：石英、方石英、鳞石英和石英玻璃中[SiO4]4-四面 体几乎总是以顶角相连。 异：在纤维状的晶态SiO2变体中[SiO4]4-以共棱相连； 在高压晶相石英中[SiO4]4-以八面体[SiO6]8-出现。 b. 同：石英玻璃与方石英最为相似，SiO2方石英 SiO2玻璃， 熔融熵仅为1cal/mol。 异：晶态：排列有序；非晶态：近程有序，远程无序。 c. 紫外光电子能谱和电子能量损耗谱（ELS）表明：晶态 与非晶态SiO2光吸收和反射数据，其电子跃迁均在四面 体内部进行。
乳白石英玻璃 石英坩埚
不透明石英玻璃 石英陶瓷
思考题：
1. 晶态SiO2与非晶态SiO2的类同和差异？
2. （OH－）和杂质对石英玻璃的粘度、机械强度、电 学性质、光学性质有何影响？
3. 石英玻璃能否钢化？为什么？
P抗张～60MPa；P抗弯～110MPa；P抗压～640MPa ；
维氏硬度：700Kp/mm2；莫氏硬度：6级；泊松比：0.17
石英玻璃的杨氏模量曲线
石英玻璃的断裂模量曲线
5. 光学性质：
a. 石英玻璃在紫外（吸收限低于160nm）到近红外区域内有较 高的透过率；Si－O振动的谐振波长为4.45μ m（4450nm）， 截止长波透射； 若有（OH－）存在，则波长在2.73 μ m （2730nm）和 1.38 μ m （1380nm）处有吸收带；（OH－）与Si－O振动相 互作用的吸收带为2.22 μ m（2220nm）。
石英玻璃是由纯净的天然水晶、石英石（包括脉 石英、石英砂）或人工合成原料经熔化而制得。 自然界中的石英，从地壳表面往下十六公里，几 乎有65％，普通形状为细小的无规则颗粒。
水晶是无色透明结晶完整的石英，是β －石英的 变体。
一、结构：
1. 非晶态SiO2呈四面体排列，其基本结构特征都为 [SiO4]4-排列。 三个基本的原子间距分别为：Si-O 1.62Å ，O-O 2.65Å ，Si-Si 3.12Å ；Si-O-Si键角分布中最大值为 1440±10％。
2. 晶态与非晶态SiO2的异同：
a. 同：石英、方石英、鳞石英和石英玻璃中[SiO4]4-四面 体几乎总是以顶角相连。 异：在纤维状的晶态SiO2变体中[SiO4]4-以共棱相连； 在高压晶相石英中[SiO4]4-以八面体[SiO6]8-出现。 b. 同：石英玻璃与方石英最为相似，SiO2方石英 SiO2玻璃， 熔融熵仅为1cal/mol。 异：晶态：排列有序；非晶态：近程有序，远程无序。 c. 紫外光电子能谱和电子能量损耗谱（ELS）表明：晶态 与非晶态SiO2光吸收和反射数据，其电子跃迁均在四面 体内部进行。
乳白石英玻璃 石英坩埚
不透明石英玻璃 石英陶瓷
思考题：
1. 晶态SiO2与非晶态SiO2的类同和差异？
2. （OH－）和杂质对石英玻璃的粘度、机械强度、电 学性质、光学性质有何影响？
3. 石英玻璃能否钢化？为什么？
P抗张～60MPa；P抗弯～110MPa；P抗压～640MPa ；
维氏硬度：700Kp/mm2；莫氏硬度：6级；泊松比：0.17
石英玻璃的杨氏模量曲线
石英玻璃的断裂模量曲线
5. 光学性质：
a. 石英玻璃在紫外（吸收限低于160nm）到近红外区域内有较 高的透过率；Si－O振动的谐振波长为4.45μ m（4450nm）， 截止长波透射； 若有（OH－）存在，则波长在2.73 μ m （2730nm）和 1.38 μ m （1380nm）处有吸收带；（OH－）与Si－O振动相 互作用的吸收带为2.22 μ m（2220nm）。
石英基础知识培训
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石英玻璃热力学性质
a. 耐温性： 石英玻璃的耐高温性能，远远超过任何一种玻璃。 T熔＝1713℃，T软＝1580℃±10℃，T退火＝1140 ℃±10℃。
短时间可在1450℃高温下使用，常可在1000℃以上、不透明则在900℃使用。
石英玻璃的应用
半导体行业应用
石英玻璃法兰
与石英玻璃扩散管配套起连接作用的石英玻璃制品
19
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石英玻璃的应用
半导体行业的应用
石英舟 ～ 硅片承载器 石英炉管～支托并运载石英舟进入或退出扩散炉
石英舟
20
石英炉管
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9
600 6.00
700 5.71
800 5.62
1000 5.56
1200 5.42
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石英玻璃机械性质
石英玻璃由单组元硅氧四面体组成网络骨架，硅氧键键强很大，结构紧密机械强度
很高，为普通玻璃的2～3倍；网络中没有间隙离子填充，故密度小。
将四氯化硅蒸汽由氢气携带通入氢氧喷灯火焰 中，生成二氧化硅及氯化氢，氯化氢气 体随烟气逸出， 而二氧化硅则沉积。
高频感应等离子炬熔融法 由高频电磁场的感应耦合作用而产生等离子体灯炬，内核温度高达15000K，熔化物料。 凝胶法
将多孔（50～80 Å ）凝胶成形后在250℃下真空处理，排出H2O，通过热处理排除有 机物，1000℃下加热消除气孔，形成石英玻璃。
石英玻璃热力学性质
a. 耐温性： 石英玻璃的耐高温性能，远远超过任何一种玻璃。 T熔＝1713℃，T软＝1580℃±10℃，T退火＝1140 ℃±10℃。
短时间可在1450℃高温下使用，常可在1000℃以上、不透明则在900℃使用。
石英玻璃的应用
半导体行业应用
石英玻璃法兰
与石英玻璃扩散管配套起连接作用的石英玻璃制品
19
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石英玻璃的应用
半导体行业的应用
石英舟 ～ 硅片承载器 石英炉管～支托并运载石英舟进入或退出扩散炉
石英舟
20
石英炉管
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9
600 6.00
700 5.71
800 5.62
1000 5.56
1200 5.42
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石英玻璃机械性质
石英玻璃由单组元硅氧四面体组成网络骨架，硅氧键键强很大，结构紧密机械强度
很高，为普通玻璃的2～3倍；网络中没有间隙离子填充，故密度小。
将四氯化硅蒸汽由氢气携带通入氢氧喷灯火焰 中，生成二氧化硅及氯化氢，氯化氢气 体随烟气逸出， 而二氧化硅则沉积。
高频感应等离子炬熔融法 由高频电磁场的感应耦合作用而产生等离子体灯炬，内核温度高达15000K，熔化物料。 凝胶法
将多孔（50～80 Å ）凝胶成形后在250℃下真空处理，排出H2O，通过热处理排除有 机物，1000℃下加热消除气孔，形成石英玻璃。
石英晶体产品基础知识(培训)_图文
4、电源和负载 晶体振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载 变动的影响。一般考虑为+/-5%或+/-10%。
5、输出波形 晶体振荡器有CMOS、TTL、CMOS/TTL兼容、PECL和正弦波输出。
6 、起动时间 晶体振器从起动到稳定输出的时间，用ms表示。
7 、上升时间 /下降时间 波形前沿/后沿在两规定电平之间变化的时间间隔，两个电平
石英晶体振荡器电路结构
六、产品主要参数
石英晶体谐振器的主要参数
• 1、标称频率 该频率特指晶体技术条件中规定的频率，表示为MHz或KHz。
• 2、调整频差 标称频率在一定温度（一般是25℃）下的允许偏差，表示为百分数（%）或百 万分之几（ppm）。
• 3、负载电容（CL） 与晶体一起决定负载谐振频率的有效外界电容。任何外部电容一旦与石英晶 体串联，即会成为其谐振频率的一个决定因素。负载电容变化时，频率也会 随之改变。因此，在电路中使用时，经常会以标准负载电容来微调频率至期 望值。
SC: +21056’/ +34005’
Z
BT
DT
+50X
R Z
r m
X GT
X
+500
+20X
NT
+50
+50
r
Y
m
+20
R
X
m
r
石英晶体的振动模式
各种切型的温频特性曲线图
常用切型介绍
1. AT切 厚度振动模式，其频率系数为：1650，频率公式：f=1670/t （t为厚 度） 具有高品质因数，温频特性（三次曲线），机械特性，基频一般小 于40M。
• 激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能，所以电路设计者一定要严格控 制石英谐振器在规定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的特点， 一般来讲，激励电平偏小对于长稳有利，激励电平稍大对于短温有利。
5、输出波形 晶体振荡器有CMOS、TTL、CMOS/TTL兼容、PECL和正弦波输出。
6 、起动时间 晶体振器从起动到稳定输出的时间，用ms表示。
7 、上升时间 /下降时间 波形前沿/后沿在两规定电平之间变化的时间间隔，两个电平
石英晶体振荡器电路结构
六、产品主要参数
石英晶体谐振器的主要参数
• 1、标称频率 该频率特指晶体技术条件中规定的频率，表示为MHz或KHz。
• 2、调整频差 标称频率在一定温度（一般是25℃）下的允许偏差，表示为百分数（%）或百 万分之几（ppm）。
• 3、负载电容（CL） 与晶体一起决定负载谐振频率的有效外界电容。任何外部电容一旦与石英晶 体串联，即会成为其谐振频率的一个决定因素。负载电容变化时，频率也会 随之改变。因此，在电路中使用时，经常会以标准负载电容来微调频率至期 望值。
SC: +21056’/ +34005’
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石英晶体的振动模式
各种切型的温频特性曲线图
常用切型介绍
1. AT切 厚度振动模式，其频率系数为：1650，频率公式：f=1670/t （t为厚 度） 具有高品质因数，温频特性（三次曲线），机械特性，基频一般小 于40M。
• 激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能，所以电路设计者一定要严格控 制石英谐振器在规定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的特点， 一般来讲，激励电平偏小对于长稳有利，激励电平稍大对于短温有利。
石英玻璃
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
石英玻璃的膨胀系数曲线
c. 比热和导热系数：
石英玻璃的比热和导热系数随温度的升高而增大。 石英玻璃不同温度的比热 石英玻璃的导热系数λ 温度（℃）平均比热 温度（℃） 导热系数 100 0.185 透明石英玻璃 不透明石英玻璃 200 0.200 20 0.00331 0.00297 400 0.233 200 0.00394 0.00386 600 0.254 400 0.00447 0.00453 800 0.260 600 0.00484 0.00503 1000 0.264 800 0.00514 0.00534 1200 0.270 1000 0.00547 0.00550 1200 0.00581 0.00569
4.机械性质
石英玻璃由单组元硅氧四面体组成网络骨架，硅氧键键强 很大，结构紧密，机械强度很高，为普通玻璃的2～3倍；网络 中没有间隙离子填充，故密度小。 原料纯度（杂质）、种类、产品气泡、羟基（OH -）含 量、熔化不均匀等影响强度。 透明石英玻璃密度：D＝2.20～2.21g/cm3； 不透明石英玻璃密度：D′＝2.02～2.18g/cm3；
b. 石英玻璃受到Χ射线和γ射线时，产生如下吸收峰： 2150 Å 吸收峰：由石英玻璃本质造成的； 2950 Å 吸收峰：由金属杂质铝（Al）、锗（Ge）引起的； 5500 Å 吸收峰：由缺氧造成的； 电熔透明石英玻璃用Co60照射易变黑。
三、制备方法
1. 电熔法：石英原料在真空（5×10－2mmHg）或低压惰性（N2） 介质中电熔。 2. 气炼法：采用氢氧焰或其它碳氢化物（乙炔）可燃气体产生高热 来熔化物料。 3. SiCl4蒸汽水解法：将四氯化硅蒸汽由氢气携带通入氢氧喷灯火焰 中，生成二氧化硅及氯化氢，氯化氢气体随烟气逸出， 而二氧化硅则沉积。 4. 高频感应等离子炬熔融法：由高频电磁场的感应耦合作用而产生 等离子体灯炬，内核温度高达15000K，熔化物料。 5. 凝胶法：将多孔（50～80 Å ）凝胶成形后在250℃下真空处 理，排出H2O，通过热处理排除有机物，1000℃下加热 消除气孔，形成石英玻璃。
石英玻璃的膨胀系数曲线
c. 比热和导热系数：
石英玻璃的比热和导热系数随温度的升高而增大。 石英玻璃不同温度的比热 石英玻璃的导热系数λ 温度（℃）平均比热 温度（℃） 导热系数 100 0.185 透明石英玻璃 不透明石英玻璃 200 0.200 20 0.00331 0.00297 400 0.233 200 0.00394 0.00386 600 0.254 400 0.00447 0.00453 800 0.260 600 0.00484 0.00503 1000 0.264 800 0.00514 0.00534 1200 0.270 1000 0.00547 0.00550 1200 0.00581 0.00569
4.机械性质
石英玻璃由单组元硅氧四面体组成网络骨架，硅氧键键强 很大，结构紧密，机械强度很高，为普通玻璃的2～3倍；网络 中没有间隙离子填充，故密度小。 原料纯度（杂质）、种类、产品气泡、羟基（OH -）含 量、熔化不均匀等影响强度。 透明石英玻璃密度：D＝2.20～2.21g/cm3； 不透明石英玻璃密度：D′＝2.02～2.18g/cm3；
b. 石英玻璃受到Χ射线和γ射线时，产生如下吸收峰： 2150 Å 吸收峰：由石英玻璃本质造成的； 2950 Å 吸收峰：由金属杂质铝（Al）、锗（Ge）引起的； 5500 Å 吸收峰：由缺氧造成的； 电熔透明石英玻璃用Co60照射易变黑。
三、制备方法
1. 电熔法：石英原料在真空（5×10－2mmHg）或低压惰性（N2） 介质中电熔。 2. 气炼法：采用氢氧焰或其它碳氢化物（乙炔）可燃气体产生高热 来熔化物料。 3. SiCl4蒸汽水解法：将四氯化硅蒸汽由氢气携带通入氢氧喷灯火焰 中，生成二氧化硅及氯化氢，氯化氢气体随烟气逸出， 而二氧化硅则沉积。 4. 高频感应等离子炬熔融法：由高频电磁场的感应耦合作用而产生 等离子体灯炬，内核温度高达15000K，熔化物料。 5. 凝胶法：将多孔（50～80 Å ）凝胶成形后在250℃下真空处 理，排出H2O，通过热处理排除有机物，1000℃下加热 消除气孔，形成石英玻璃。
第一章.熔模铸造
目前常用的铝硅系耐火材料有以下几种： 1）粘土质耐火材料 是指Al2O3的质量分数约30％一46％，矿物组成以 高岭石为主的耐火粘土，其分子式为 Al2O3·2SiO2·2H2O。分为生料（软质粘土） 和熟 料（硬质粘土）,主要用于加固层涂料。
2）铝矾土（ Al2O3含量在45～80％ ）
高岭石及含水氧化铝（水铝石αAl2O3·H2O、波 美石γAl2O3·H2O，三水铝石Al2O3·3H2O等）。 3）莫来石质耐火材料（ Al2O3含量在67～72％ ） Al2O3含量在67～72％ 。
1、对粘结剂性能的要求 应能将粉状和粒状耐火材料牢固地粘结在一起。使 型壳具有足够高的强度； 应具有良好的耐热性，以保证型壳在高温焙烧、浇 注以及铸件凝固过程中具有足够的高温强度， 粘结剂最终生成的耐高温氧化物，在高温下应具有 良好的化学稳定性。 应能很好润湿熔模，与模料不起化学反应，保证准 确复制出熔模轮廓，使型壳内表面光滑； 具有适当的粘度，保证制壳过程中有良好的涂挂性 和渗透性。
α鳞石英应在1470℃时转变为α方石英，但若快 速加热，α鳞石英将过热而在1670℃熔化为熔体 (DD‘)。
正常条件下，α鳞石英不变为α石英。 在高低温转变中，方石英之间的体积变化最为剧烈， 其次是石英，鳞石英变化最微弱。 熔体(熔融石英)经急冷后得到石英玻璃。
（2）熔模铸造用硅砂牌号：
硅砂适用于碳钢、低合金钢、铸铁及铜合余铸件 不适用于高锰钢及高合金钢铸件。
2）浓度
水玻璃的浓度实际指的是其中硅酸钠的含量，一般用 密度来间接表示。
一般用密度表示：
低密度：粘度低，可配制粉液比高的涂料，型壳工作 表面的致密，但制的的型壳强度低，一般只用在制 面层涂料，常取ρ＝1.25～1.27g/cm3。
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11
d. 粘度：
石英玻璃的粘度随羟基（OH－）和杂质含量的增加而降低， 粘度大，温度范围窄。
四氯化硅（SiCl4）合成用氢氧焰熔融比电炉真空熔融的石英 玻璃软化点低近100℃；
水晶原料用氢氧焰熔融法比电炉真空熔融法的石英玻璃软化点 低20～50℃。
石英玻璃在不同温度下的粘度 温度（℃） 1200 1400 1600 1800 2000 2100 lgη（泊） 12.4 10.0 7.6 5.7 4.5 3.8
1. 半导体材料及器件的坩埚； 2. 新型光源：激光脉冲氙灯、紫外杀菌灯、碘钨灯、
聚光灯等的灯管； 3. 光学精密仪器用的棱镜、透镜、比色皿、天文反射
镜、红外观察窗、超声延迟线玻璃； 4. 在化学工业中，制备铂、铑等稀有金属的容器和生
产SiCl4的蒸发皿。
23
五、石英玻璃新品种：
1. 高纯石英玻璃：SiO2六个九～七个九，光谱仪、分光光度计、 荧光计零件；
1440±10％。
2
2. 晶态与非晶态SiO2的异同：
a. 同：石英、方石英、鳞石英和石英玻璃中[SiO4]4-四面 体几乎总是以顶角相连。
异：在纤维状的晶态SiO2变体中[SiO4]4-以共棱相连； 在高压晶相石英中[SiO4]4-以八面体[SiO6]8-出现。
b. 同：石英玻璃与方石英最为相似，SiO2方石英 SiO2玻璃， 熔融熵仅为1cal/mol。
学性质、光学性质有何影响？ 3. 石英玻璃能否钢化？为什么？
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19
三、制备方法：
1. 电熔法：石英原料在真空（5×10－2mmHg）或低压惰性（N2） 介质中电熔。
2. 气炼法：采用氢氧焰或其它碳氢化物（乙炔）可燃气体产生高热 来熔化物料。
3. SiCl4蒸汽水解法：将四氯化硅蒸汽由氢气携带通入氢氧喷灯火焰 中，生成二氧化硅及氯化氢，氯化氢气体随烟气逸出， 而二氧化硅则沉积。
b. 热膨胀系数：
石英玻璃的膨胀系数极小，α～5×10－7℃－1，为平板玻璃的 1/14，其原因是石英玻璃的结构类似于方石英相（立方），没有低温 变体的锯齿形特征，同时Si－O键较强。
石英玻璃的膨胀系数 温度（℃）100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200 α×10－7 5.10 5.58 6.27 6.35 6.12 6.00 5.71 5.62 5.56 5.42
13
石英玻璃的杨氏模量曲线
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石英玻璃的断裂模量曲线
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5. 光学性质：
a. 石英玻璃在紫外（吸收限低于160nm）到近红外区域内有较 高的透过率；Si－O振动的谐振波长为4.45μm（4450nm）， 截止长波透射；
若有（OH－）存在，则波长在2.73 μm （2730nm）和 1.38 μm （1380nm）处有吸收带；（OH－）与Si－O振动相 互作用的吸收带为2.22 μm（2220nm）。
4. 高频感应等离子炬熔融法：由高频电磁场的感应耦合作用而产生 等离子体灯炬，内核温度高达15000K，熔化物料。
5. 凝胶法：将多孔（50～80 Å ）凝胶成形后在250℃下真空处 理，排出H2O，通过热处理排除有机物，1000℃下加热 消除气孔，形成石英玻璃。
20
石英灯头
21
22
四、石英玻璃的用途：
2. 电学性质：
石英玻璃是一种优良的绝缘材料，在高温下仍能保持很高的介
电强度和电阻，而且几乎没有损耗，（OH）－和杂质将使介电强度
降低， tanδ增加。
石英玻璃的介电强度和介电损耗(50Hz )
电性能
温度（℃） 透明石英玻璃 不透明石英玻璃
介电损耗tanδ 20
0.0003
0.001
介电强度
200
32
12
4. 机械性质：
石英玻璃由单组元硅氧四面体组成网络骨架，硅氧键键强 很大，结构紧密，机械强度很高，为普通玻璃的2～3倍；网络 中没有间隙离子填充，故密度小。
原料纯度（杂质）、种类、产品气泡、羟基（OH -）含 量、熔化不均匀等影响强度。
透明石英玻璃密度：D＝2.20～2.21g/cm3； 不透明石英玻璃密度：D′＝2.02～2.18g/cm3； P抗张～60MPa；P抗弯～110MPa；P抗压～640MPa ； 维氏硬度：700Kp/mm2；莫氏硬度：6级；泊松比：0.17
800
0.260
600 0.00484 2.0265 0.00503 2.1061
1000
0.264
800 0.00514 2.1521 0.00534 2.2359
1200
0.270
1000 0.00547 2.29.3 0.00550 2.3029
1200 0.00581 2.4326 0.00569 2.3824
第一章 石英玻璃
石英玻璃是由纯净的天然水晶、石英石（包括脉 石英、石英砂）或人工合成原料经熔化而制得。
自然界中的石英，从地壳表面往下十六公里，几 乎有65％，普通形状为细小的无规则颗粒。
水晶是无色透明结晶完整的石英，是β－石英的 变体。
1
一、结构：
1. 非晶态SiO2呈四面体排列，其基本结构特征都为 [SiO4]4-排列。 三个基本的原子间距分别为：Si-O 1.62Å ，O-O 2.65Å ，Si-Si 3.12Å ；Si-O-Si键角分布中最大值为
b. 石英玻璃受到Χ射线和γ射线时，产生如下吸收峰： 2150 Å 吸收峰：由石英玻璃本质造成的； 2950 Å 吸收峰：由金属杂质铝（Al）、锗（Ge）引起的； 5500 Å 吸收峰：由缺氧造成的； 电熔透明石英玻璃用Co60照射易变黑。
16
石英玻璃的GE光谱曲线
17
石英玻璃的折射率曲线
18
石英玻璃的内部衰减曲线
6. 石英陶瓷：石英玻璃废料经粉碎、成型、烧结而成； 7. 乳白石英玻璃：（4～8 μm、11 μm后有较强的选择反射光
谱带）远红外辐射电加热器材料。
24
乳白石英玻璃 石英坩埚
不透明石英玻璃 石英陶瓷
25
26
思考题：
1. 晶态SiO2与非晶态SiO2的类同和差异？ 2. （OH－）和杂质对石英玻璃的粘度、机械强度、电
9
石英玻璃的膨胀系数曲线
10
c. 比热和导热系数：
石英玻璃的比热和导热系数随温度的升高而增大。
石英玻璃不同温度的比热
石英玻璃的导热系数λ
温度（℃）平均比热 温度（℃）
导热系数
100 200 400 600
0.185 0.200 0.233 0.254
透明石英玻璃 *418.7(w/m*k) 不透明石英玻璃 20 0.00331 1.3859 0.00297 1.2435 200 0.00394 1.6497 0.00386 1.6162 400 0.00447 1.8716 0.00453 1.8967
2. 石英纤维和石英棉：（Φ∝3～25 μm）宇宙飞船防热罩、太 阳能电池遮盖材料、 光通讯用光导纤维；
3. 低膨胀石英玻璃：（加入钛等，可使α∝0）原子钟腔体，宇宙 飞行器窥窗；
4. 吸收紫外线石英玻璃：（加入Cr、V、Ni、Co、Mn、Cu） 杀菌（医、食）石英玻璃、日光（坑道采光）石英玻璃；
5. 荧光石英玻璃：分析蛋白质的化学组成，食品、药物、塑料等 的检测；
25
5
石英玻璃的介电常数曲线
6
石英玻璃的电导率曲线
7
石英玻璃的电阻率曲线
8
3. 热学性质：
a. 耐温性：
石英玻璃的耐高温性能，远远超过任何一种玻璃。 T熔＝1713℃，T软＝1580℃±10℃，T退火＝1140 ℃±10℃。 短时间可在1450℃高温下使用，常可在1000℃以上、不透明则在 900℃使用。
异：晶态：排列有序；非晶态：近程有序，远程无序。 c. 紫外光电子能谱和电子能量损耗谱（ELS）表明：晶态
与非晶态SiO2光吸收和反射数据，电子跃迁均在四面 体内部进行。
3
石英玻璃
方石英
4
二、性能：
1. 纯度：
a. 透明石英玻璃：
气炼石英玻璃：SiO2 99.97％以上； SiCl4直接气炼石英玻璃：SiO2 99.9999％以上； 高纯石英玻璃：SiO2 99.999％以上。 b. 不透明石英玻璃：SiO2 99.5％以上。