石英玻璃的抗析晶性能

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。

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析晶速度达到很大值。

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10_μm/h，比正常情况高1000倍。特别是 钠离子影响很为严重。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很好采用氢和氧气，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很小，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，很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很多，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。