石英玻璃是用天然結(jié)晶石英(水晶或純的硅石),是一種只含二氧化硅單一成份的特種玻璃,或合成硅烷經(jīng)高溫熔制而成。熔融后的產(chǎn)品具有極好的加工性能,在極高的粘度范圍內(nèi),可以將管和棒進行有如普通玻璃細工一樣的熱加工,還可以用金剛石或碳化硅制成的磨具進行高速機械加工,從而制成各種復(fù)雜形狀的儀器和特種制品。
石英玻璃的性能主要取決于它的純度,其次是工藝過程或熱工制度。由于種類、工藝、原料的不同,國外常常叫做硅酸玻璃、石英玻璃、熔融石英、熔凝石英、合成熔融石英,以及沒有明確概念的透明、半透明、不透明石英等。
我國統(tǒng)稱石英玻璃,多按工藝方法、用途及外觀來分類,如電熔透明石英玻璃、連熔石英玻璃、氣煉透明石英玻璃、合成石英玻璃、不透明石英玻璃、光學石英玻璃、半導(dǎo)體用石英玻璃、電光源用石英玻璃等。人們習慣于用“石英”這樣一個簡單的詞匯來命名這種材料,這是絕對不妥的,因為“石英”是二氧化硅結(jié)晶態(tài)的一種通稱,它與玻璃態(tài)二氧化硅在理化性質(zhì)上是有區(qū)別的。
石英玻璃的三個性能:
(1)機械性能
石英玻璃和普通玻璃類似,屬于脆硬材料。與普通玻璃相同,石英玻璃的強度參數(shù)受很多因素影響,包括表面狀態(tài)、幾何形狀和測試方法等。透明石英玻璃的抗壓強度一般為490~1960MPa,抗拉強度為50~70MPa,抗彎強度為66~108MPa,抗扭強度約為30MPa。
(2)電學性能
石英玻璃是優(yōu)良的電絕緣材料。與普通玻璃相比,石英玻璃有著較高的電阻率,常溫下石英玻璃的電阻率高達1.8×1019Ωcm。此外,石英玻璃有著較高的擊穿電壓(約為普通玻璃的20倍)以及較低的介電損耗。石英玻璃的電阻率隨著溫度升高略有下降,不透明石英玻璃的電阻率低于透明石英玻璃。
(3)熱學性能
由于石英玻璃內(nèi)部幾乎全部為較強的Si-O鍵作用,它的軟化溫度非常高,長期工作溫度可達1000℃。另外石英玻璃的熱膨脹系數(shù)是常見工業(yè)玻璃之中最低的,其線膨脹系數(shù)可達5×10-7/℃,經(jīng)過特殊處理的石英玻璃甚至可以達到零膨脹。石英玻璃還具有非常好的抗熱振性,即在短時間內(nèi)反復(fù)經(jīng)歷極大的溫差也不會開裂。這些優(yōu)良的熱學特性使得石英玻璃在高溫和極端工作環(huán)境中有著其他玻璃不可替代的地位。
微量雜質(zhì)的存在將給石英玻璃的使用性能帶來重大的影響;同時由于工藝過程或熱工制度的稍有疏忽,將給外觀質(zhì)量帶來多種多樣的缺陷,產(chǎn)生大量的廢次產(chǎn)品。
石英玻璃是由二氧化硅單一組分構(gòu)成的特種工業(yè)技術(shù)玻璃,具有普通玻璃無可比擬的一系列優(yōu)異性質(zhì),被新材料領(lǐng)域?qū)<易u為“玻璃之王”,是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)、光學、光伏、半導(dǎo)體等國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和航空航天等國防領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)性材料。
石英玻璃具有一系列優(yōu)異的光學性能。與普通玻璃相比,高純石英玻璃具有從遠紫外(160nm)到遠紅外(5μm)極寬光譜內(nèi)的良好透過性,這是一般光學玻璃所不具備的。優(yōu)異的光譜透過性和光學均勻性使得石英玻璃廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻和精密光學器件領(lǐng)域。
此外,石英玻璃具有良好的耐輻照性能,耐輻照石英玻璃已經(jīng)廣泛用作“神舟”系列宇宙飛船的窗口材料,“天宮”系列空間實驗室關(guān)鍵部件的防護罩等。