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什么材料这么牛,“嫦娥”“北斗”“神舟”都用到了它!
发布时间: 2021-07-05 11:04 | 【 【打印】【关闭】

  石英玻璃是由二氧化硅单一组分所构成的工业用技术玻璃,拥有一系列特殊的物理和化学性能。它具有优良的耐高温性能,热膨胀系数极小(5.5×10-7/℃),仅为陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20;良好的热稳定性与热传导能力,以及具有高的介电场强度,很低的介电损失和导电性,可广泛适用于高压绝缘子材料;同时,它在整个光谱内具有良好的透过率(T157-4000nm≥80%),尤其在紫外和深紫外光谱范围内的透过性能是一般光学玻璃所不具备的。由于其优异的理化性能,因而被应用于光学、光通讯、航空航天、半导体集成电路等高技术领域。

  6月17日,神舟十二号载人飞船发射圆满成功。这是中国载人航天史上由中国人书写的又一壮举。而与三位宇航员一起奔赴太空的,还有这样一种材料——耐辐照石英玻璃,“嫦娥”“北斗”“神舟”都用到了它!

  此次耐辐照石英玻璃由中国建材集团所属中国建材总院石英院制造。作为我国建材与无机非金属领域研发实力极为雄厚的企业,中国建材集团多项新材料早已多次助力中国航天事业。

  中国建材总院为嫦娥五号配套的耐辐照滤紫外石英玻璃、高纯耐辐照石英玻璃及以该技术开发的光掩膜石英玻璃登场展示

  石英玻璃到底为何牛,被新材料领域专家誉为“玻璃之王”?

  石英玻璃的应用 

  石英玻璃是由二氧化硅单一组分所构成的工业用技术玻璃,拥有一系列特殊的物理和化学性能。它具有优良的耐高温性能,热膨胀系数极小(5.5×10-7/℃),仅为陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20;良好的热稳定性与热传导能力,以及具有高的介电场强度,很低的介电损失和导电性,可广泛适用于高压绝缘子材料;同时,它在整个光谱内具有良好的透过率(T157-4000nm≥80%),尤其在紫外和深紫外光谱范围内的透过性能是一般光学玻璃所不具备的。由于其优异的理化性能,因而被应用于光学、光通讯、航空航天、半导体集成电路等高技术领域。

  航空航天行业中的应用 

  耐辐照石英玻璃与高纯石英玻璃具有特定的光学特性、耐宇宙射线辐照、抗热冲击等性能,成为航天飞行器姿控系统不可替代的光学元件。耐辐照石英玻璃具有耐宇宙射线截紫外的功能,特别适用于高轨卫星的太阳敏感器光学窗口,具有在轨服役时间长、性能稳定等优点。

  电光源行业中的应用 

  常见的低强度的节能灯、杀菌灯以及高强度的莱灯、钠灯、金属卤化物灯、红外线灯、紫外线杀菌灯都是石英玻璃电光源产品,杀菌灯被广泛应用于饮食行业和医疗卫生行业。

  光纤行业中的应用 

  石英玻璃沉积管是光导纤维的结构材料,占光纤组分的90%以上,它的质量直接影响光纤传输性能和强度。

  电子信息、半导体行业中的应用 

  在对单晶硅片进行掺杂、扩散、氧化、退火等关键工序中使用的熔融石英扩散管;硅片外延工序使用的石英钟罩;硅片酸洗和超声波清洗工序使用的支架;控制单晶硅工序中使用的石英坩埚等。

  其他行业中的应用 

  超声信号在熔融石英中的传播速度比金属小,延迟温度系数低,可作为超声延迟玻璃应用在雷达上。超声波经大型多边形熔融石英多次反射可以延迟1微秒以上,通过被反射的雷达信号测定移动目标的方位,具有实际应用价值。

  在化工行业中,由于熔融石英具有耐酸、耐高温、化学纯度高等特性,是一些化工生产设备的理想材料。实验室精馏水制取也一般采用石英玻璃精馏塔。

  石英玻璃化学稳定性好、热膨胀系数低,可用来制造精密仪器,如干涉仪、波长表、陀螺仪、重力仪等高精仪器。

  石英玻璃的制备 

  石英玻璃的制备原料包括石英砂、硅化物。其中硅化物是指SiCl4、Si4O4(CH3)8等化合物,通过提纯后纯度可达99.999%以上。不同的原料,采用的制备工艺有所不同。石英砂原料主要采用电熔、气炼、等离子工艺进行制备。选用硅化物原料时,一般采用合成工艺制备石英玻璃,主要有化学气相沉积工艺CVD、等离子化学气相沉积POD工艺两类。而不同原料、工艺下制备的产品性能也有所不同。

  不同条件下的石英玻璃的性能指标

 来源:陈娅丽等.光掩膜版用低羟基高纯石英玻璃的研究

  通过上图可知,等离子合成法工艺所制备的产品性能优于化学气相沉积合成工艺,其次是以石英砂为主的等离子工艺,最后是电熔法以及气炼法。而另一方面,理想的石英玻璃是由硅氧键组成的短程有序、长程无序的非晶态固体,但是受制备条件和工艺的影响,石英玻璃中总会不可避免地存在金属杂质含量多、羟基含量高或尺寸小等缺点。

  石英玻璃制备的研究进展 

  为了制备大尺寸、满足光学设计要求的石英玻璃,中国建筑材料科学研究总院所属石英院的研发团队通过槽沉工艺对石英玻璃进行处理,使石英玻璃“变形”——尺寸放大,外形改变,内质均化,性能提升。

  两步法工艺:以硅化物为原料,将粉末沉积与烧结独立制备,通过优化控制烧结过程中的化学脱羟工艺,可有效降低羟基含量;通过优化工艺,检测结果表明,两步法气相沉积工艺制备的石英玻璃具有更低的羟基含量≤1×10-6,以及良好的透过率85%以上,完全满足高端光电技术领域的应用需求。

  杨金鑫等公开一种高纯度低羟基高均匀性石英玻璃的化学沉积方法,包括:

  (1)在沉积腔体内,采用气相轴向沉积法将硅源沉积得到低密度SiO2松散体;在沉积过程中,控制沉积腔体内为负压环境,温度不高于500℃;

  (2)在充满脱羟气流和氧气的密闭环境中,将低密度SiO2松散体加热到1100~1300℃,使所述低密度SiO2松散体脱水、脱羟及致密化;接着,将低密度SiO2松散体置于惰性气体环境中,加热至1470~1600℃,使其玻璃化以形成透明石英玻璃;

  (3)对透明石英玻璃进行退火处理,得到高纯度低羟基高均匀性石英玻璃。本发明还公开了采用所述化学沉积工艺的装置。

  本发明的高纯度低羟基高均匀性石英玻璃的化学沉积方法,生产过程连续性高,且生产的石英玻璃中金属杂质含量极低。

  中国科学院大连化学物理研究所公开“一种基于化学活化的石英玻璃低温直接键合方法”。在非洁净室环境下进行,无需真空条件,仅利用化学试剂超声活化表面和低温条件实现石英玻璃的键合,大大节约了实验成本,方便快捷。

  一种基于化学活化的石英玻璃低温直接键合方法

 来源:中国科学院大连化学物理研究所,国家常识产权局

  小结 

  石英玻璃是由二氧化硅单一组分构成的特种工业技术玻璃,具有一系列特殊的物理和化学性能,被新材料领域专家誉为“玻璃之王”。经过多年的努力,我国石英玻璃行业目前已具有一定规模,具备各种类型石英玻璃的制备和生产能力。随着航空航天、光通讯、半导体、光伏、电光源等高端领域的发展,石英玻璃市场需求得到不断增长。尤其是高性能特种石英玻璃,应用宽泛、需求高,是我国石英玻璃制造业应加强研究、突破的重点。

  文章来源:中国粉体网、新材料网

  文章链接:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=596345

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