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石英玻璃原料制备技术

发布时间:2016/5/23

制造石英玻璃的原矿

石英玻璃的原矿有两类:天然石英矿石(水晶和硅石)和合成二氧化硅(Si〇2)。石英 是天然二氧化硅矿石的总称;水晶是石英单晶(透明的大晶体)。硅石是石英小晶体的聚合 物。花岗岩中也含大量石英小晶体,美国从伟晶花岗岩中把石英分离出来,制成高纯石英 砂,用于石英玻璃的原料。合成Si〇2是将硅石与焦炭混合,在高温下还原成工业硅,工业 硅与氯气反映制成SiCl4,提纯后再水解成高纯Si02。透明石英玻璃的原料有两个要求:高 纯度,Si〇2含量<99. 995%,金属杂质总含量<50X10-6;熔化时气泡少。要满足这两个 条件,天然矿石中首选水晶为石英玻璃原料,因为水晶中含固体异相矿物和气液包裹体杂质 少,所以水晶纯度较高,熔化时气泡也较少。随着天然水晶资源急剧减少,人造水晶将是有 前途的石英玻璃原料。经过长期研究试验发现有极少数硅石(例如,江苏省东海县地区的硅 石),有做透明石英玻璃的条件。反之,也有很多水晶纯度并不高,不能做石英玻璃原料。 

水晶和硅石的性能、分级

    水晶为透明的石英单晶体,一般无色,有时呈烟色、茶色、紫黄色、墨色等,具有玻璃 光泽,相对密度2.65,摩氏硬度7,水晶按用途不同分为:压电水晶、光学水晶、熔炼水 晶、工艺水晶(含宝石水晶)和人造水晶五种。

人造水晶是采用“水热温差法”在高压釜中培育生长而成,人造水晶中含固体异相矿物 和气液包裹体很少,熔化时气泡少,纯度优于天然水晶,是石英玻璃的优质原料,但价格较 贵,目前还没有采用。因为石英玻璃用水晶不要求压电性能,因此可以提高生长速度,便可 大大降低价格,石英玻璃工业就可以采用为原料。

硅石又称石英岩,我国资源丰富,遍及全国,但大部分硅石不能用作透明石英玻璃原 料,只能做不透明石英玻璃原料。主要原因是固体及气液包裹体杂质太多,纯度差熔化时产 生气泡多。硅石种类很多,有脉石英(火成岩)、再结晶硅石、胶结性硅石等。石英玻璃原 料常采用脉石英,江苏省东海县地区产的硅石,纯度高,气液杂质少,可以做透明石英玻璃 原料。

天然石硅石中的杂质有固体矿物,也称固体包裹体,大都存在于晶界面,例如:云母、 金红石、长石等,清除的办法是浮选工艺。第二类是元素杂质,溶解于石英晶体中,以离子 形式存在于晶格之间,例如:Cl-、OH-、Na+、K+、Li+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Cu2+

等,常常采用高温下通H2、Cl2、HC1来除去,清除较困难。第三类是气液包裹体,大部分 存在于晶体内部。这类杂质在硅石原料中含量较多,是硅石熔化时会产生气泡的主要原因, 严重影响石英玻璃的透明度。气液包裹体颗粒很小,常常小于1μm,气液包裹体主要是H2O、CO2、CO、H2S、CXHy等,其中水含量最高,分为低温水和高温水,在真空下锻 烧,小于600°C释放的水称为低温水,在600〜1400°C释放的水称高温水。


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