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石英玻璃的抗析晶性能

发布时间:2020/5/6

透明石英玻璃的抗析晶性能


石英玻璃的高温使用寿命取决于石英玻璃的抗析晶性的好坏,因为石英玻璃的析晶层达 到一定厚度,冷却时会炸裂损坏,所以降低石英玻璃高温析晶速度便能提高石英玻璃使用寿命。从理论上说二氧化硅(Si〇2)在(1730〜1470°C)其稳定结构为方石英,温度高于 1730°C,方石英熔化成石英玻璃。方石英在高温时是等轴晶系,称卩-方石英,当温度降到 200〜300°C时急速转变为or型方石类,转变为正方晶系,其轴比较前者稍大,结晶对称性 变化,密度也变化,体积骤然收缩2.8%,造成炸裂、崩碎,裂缝会延深入玻璃体,导致石 英器皿破损报废。

石英玻璃

透明石英玻璃由于纯度很高,玻璃体内无晶核,一般不会析晶,析晶常常在表面发生。 影响析晶的因素如下。

①温度越高析晶越快,1000°C以下不析晶,1280°C时(在清洁电炉内)石英玻璃表面析晶速度为O.Olμm/h,1400°C为9〜12μm/h。石英玻璃在1630°C析晶速度达到最大值。

②表面污染严重影响析晶。例如氢氟酸不纯,水纯度不够,手直接触摸时手汗、水迹、 灰尘都将加重析晶。由于表面污染可降低析晶温度200〜300°C,800°C就开始析晶。

③使用石英玻璃时炉内气氛中含水蒸气、氯气、氟化物、磷酸盐将促进析晶。

④使用石英玻璃的炉膛耐火材料中含有大量的碱金属、碱土金属成分,高温时会挥发 出来将造成严重析晶,1280°C的析晶速度可高达10μm/h,比正常情况高1000倍。特别是 钠离子影响最为严重。作者曾做过这样的试验,将石英玻璃片装在石英玻璃盒内,1400°C也不会析晶,因此石英玻璃退火炉采用石英棉做炉膛耐火材料(同时也是保温材料)就能保持石英玻璃表面的质量。

⑤石英玻璃热加工的燃气最好采用氢和氧气,并应过滤净化。

⑥石英玻璃中如含有大量羟基,将降低石英玻璃黏度,会加剧析晶。合成石英玻璃中 含有1200X10-6的羟基,其耐温性下降70°C,析晶性能较差,但析晶只在表面发生。

⑦石英玻璃中的气泡表面、白点、黑点、生料颗粒等将成为晶核,在其周围将首先析 晶,并加速方石英颗粒长大。

根据JC/T 597—95行业标准,石英管在(1400±5)°C下恒温6h,析晶层平均厚度应小于100μm才算合格。


透明石英玻璃的高温变色性、透气性和金属离子扩散性能

石英玻璃的高温变色性:无色透明电熔石英玻璃管,将其加热到900〜1000°C,如果变 成淡灰色、淡黄色、淡红色,称高温变色。轻微着色不容易发现,可将管子端面对着亮处观 察,不着色为白色透明。变色原因:石英玻璃中过渡元素(Fe、Cu、Cr、Mn, Ni、Zn、 Co等)含量太高会造成变色,石英玻璃中Cu、Cr, Mn、Ni、Zn、Co含量常常很少,分别 小于0.05X10-6,而Fe含量高低变化很大,在(0.3〜10)X10-6范围内波动,熔化时在还 原气氛中进行,呈低价铁(FeO)玻璃没有颜色,当在空气中(氧化气氛)加热时转变成高 价铁(Fe2()3),当铁含量高时,玻璃变成灰色或棕色。JC/T 598—1995行业标准规定,石 英玻璃管在1000°C下保温2h,单位厚度的试样在290nm波长下测定透过率,下降率应小于 4%为合格。

石英玻璃的透气性:石英玻璃在常温时真空性能很好,不透气,真空度可达10-6Pa。 因为氧和氮的扩散系数极小,为10-15cm3 • mm/(s • cm2 • mbar) (lmbar= lOOPa,下同),所以不透气。


石英玻璃中金属离子扩散性:研究石英玻璃中金属离子扩散,对石英玻璃应用具有重要 意义,因为石英玻璃在半导体工业中高温使用时,极微量的杂质离子扩散出来也会对半导体 器件(集成电路、电子电力元件等)污染,严重影响产品质量,其中特别是钠离子在石英玻 璃中处于一个特殊地位,Na+的离子半径很小,为0.095nm,比Si—O间距小,所以石英玻璃中钠离子较易扩散。钙离子在石英玻璃中扩散系数比钠离子小1000倍,铁离子扩散系 数未见报道,但铁和钙都是二价离子,推测两者大致相同。铜离子扩散系数与存在价态有 关,如低价存在与钠离子相近,如高价存在与铁、钙相近;银离子在石英玻璃中扩散系数较 大,但石英玻璃中银离子很少。铝离子在石英玻璃中扩散系数很小,比钠离子低8个数量 级,为10- 13cm2/s。所以石英玻璃中铝含量虽然最多,但影响不大。表16-16和表16-17是 不同温度钠离子的扩散系数和1100°C Na+、Ca2+、Al3+、Ag+的扩散系数。




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