石英玻璃性质与加工工艺讲义

《石英玻璃加工》讲课提纲

一、石英玻璃的基本特性

1.组分单一SiO2

定义：SiO2含99.5%以上的玻璃体称为石英玻璃；不透明石英玻璃SiO2含99.5％；气炼石英玻璃99.97％；电子级石英玻璃99.99%；高级石英玻璃99.999％以上；最高级99.9999%，Heraeus产品。

石英玻璃（quartz glasss，fused quartz）分玻璃；国际上也称硅玻璃Silica glass。

一般的讲：根据原料不同，称法也不一样

天然石英晶体（水晶）fused quartz

天然石英矿石（硅石）fused silica

人工合成石英晶体Synthetic quartz

人工合成硅的卤化物Si Synthetic quartz

可以根据对方提供的图纸上的材料一拦说明，认出是何种石英玻璃。

2.硬度高

莫氏硬度7。硬的物质一定脆、易碎，所以加工一定得当心，石英玻璃有了裂纹，就容易渗进未开裂之处，裂纹延伸、扩大。

3.耐高温性能好，是石英玻璃另一个重要基本性能

能承受1300℃左右的高温，可以在1100～1200℃条件下长期工作；

抗高温形变：石英玻璃管在1200±10℃恒温24h；

其形变率：≯4%，Φ＜120mm

≯6%，Φ＞120mm

∵Si－O键强106千卡/摩尔

∴石英玻璃的耐高温性能远远超过任何一种玻璃

石英玻璃的耐高温性能与其生产工艺不同而各有差异。

电熔法优于气炼法，等离子优于电熔法，气炼法优于连熔法，其原因是OH-含量不同。

表征石英玻璃性能的三个主要温度点：

➢退火温度：这个温度下，15min内，内部应力基本释放空，对应

lgη＝13°，1140～1180℃。

➢软化点温度：在这个温度下，石英玻璃将在其自重情况下变形，

对应lgη＝7°，1580～1650℃。

➢熔化温度：石英玻璃固体状态1713～1756℃。

理论上，石英玻璃能承受1000℃以上高温，短时间使用1450℃，GE-214型1100℃长期使用，1300℃短时间使用。

为了进一步提高石英玻璃耐高温性能，各公司竟相研制新产品；如我国Al2O3涂层管，SiC涂层管。

4.热膨胀性能

热膨胀系数极低，仅为普通玻璃的1/4。α=5.10×10-7/℃（常温下）。

5.热稳定性好

石英玻璃具有承受高温巨变的能力。

TC／T597-1995

石英玻璃在1100℃恒温15min，置于20±5℃水中急冷，不得出现裂纹、缺口。

大件制品在1100℃恒温 15min，置于空气中冷却，不炸裂、无缺口。

石英玻璃的热稳定性还取决于玻璃的热历史，还和它的物理性能如线胀系数、弹性抗张强度、导热性、热容量有关，还有内应力、制品表面微裂纹、形状尺寸、加热冷却条件等。

6.粘度

石英玻璃的粘度与生产工艺、所用材料、含金属杂质、OH含量及其之不纯物相关。

石英玻璃粘度大：

∵成型操作范围很窄，温度高了，挥发量大；温度低了，粘度大，拉不动。

∴选择适当的加工温度很主要。

7.结晶性

结晶性：透明石英玻璃在特定的温度下析出晶体造成失透。

石英玻璃长期在高温下使用，由表及里蔓延，扩大而脱落。

原因：产生了α－方石英。

影响析晶的因素：温度、时间、杂质（内因加外因）

透明石英玻璃析晶从1000℃开始，1200℃显著，1525℃最大值，时间越长，析晶越严重，α－方石英生产量越多，石英玻璃内部的杂质离子和表面玷污是析晶的内因，杂质越多，析晶越快越多。

通常，析晶总是从表面上或多或少的污染点开始，在向内部扩展，

碱金属和碱土金属离子对析晶有极大影响，约可以降低析晶开始温度200～300℃。

发生析晶怎么办？

已经产生析晶的石英制品当冷却到275℃以下时会在析晶层产生裂纹。这些裂纹会向没有析晶的部分扩展、直到整个制品破碎。但若不降温到300℃以下，这些析晶仍然是透明的。

只要将析晶的石英制品总是保持在300℃以上使用，析晶层就不会产生破坏，制品就可以继续使用先相当长的时间。

析晶的应用：

石英玻璃析晶析出α－方石英，有其危害的一面，但研究表明α－方石英的晶体结构有支撑作用，能增强石英玻璃抗高温形变性能。

∴Ae2O3涂层利用这一点，在石英管外表面均匀涂一层高能Ae2O3，使其在高温下人为造成一层析晶层，以提高其高温形变性能，使其在1300℃使用。

石英玻璃的其它性能，如：

光谱特性、高透过率、耐性能、机械性能、化学性能、耐酸不耐碱、电学性能等不展开讨论。

二、石英玻璃的加工工艺

石英玻璃的深加工是指将石英玻璃原料（管状、棒状、片状、块状）加工成用户需要的石英器件，在加工方法上分为冷加工和热加工两种形

式：

1、石英玻璃的冷加工——主要是切（割）研（磨）抛（光）三种：切割砣，金刚砂锯片、金刚石锯片，主要用于切割石英管、石英片。

多刀切割机、线切割机，主要用于石英碇、石英块料。

激光切割机、内园切割机，主要用于切割导行板材。

研磨平面磨盘、单轴、双轴抛光机，分粗磨：Hcp在10～20µm 光洁度▽2。

平面铣床、多功能铣床，细磨：Hcp在6.3µm 光洁度

▽6。

钻床、车床、内园、外园磨床，粗磨：Hcp在6µm以下▽7。抛光多轴抛光机Hcp＜λ，即0.5µm以下。

解释：

①粗磨的目的是成型，使加工件具有一定的几何形状。

用散粒磨料或结合磨料加工石英玻璃表面后，其表面不平度Hcp10～20µm，▽2。

粗磨有的用散粒磨料在磨盘上手工磨，或用结合磨料机械磨。

散料磨料有绿SiC色（金刚砂）和电熔白刚玉等几种；用60＃～12＃电熔刚玉砂可达到▽2。

结合磨料有SiC树脂，金刚石磨轮。

粗磨最好在平面磨床或铣床上用结合磨料进行。

②细磨：目的是改善表面的粗糙度，使被加工件获得接近完工的几