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石英砂能否用于高品質(zhì)石英玻璃，這些因素說(shuō)了算！

發(fā)布時(shí)間：2019-02-20 瀏覽量：1946 來(lái)源：粉體技術(shù)網(wǎng)

透明石英玻璃的主要質(zhì)量指標(biāo)是純度和氣泡，這要求石英砂具有極低的雜質(zhì)和氣體含量。由于石英礦物學(xué)特征及石英玻璃制備工藝的復(fù)雜、多樣性，目前仍沒(méi)有統(tǒng)一的石英玻璃用石英砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

石英原料的提純和熔制實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：影響石英玻璃質(zhì)量的原料特征主要是「石英雜質(zhì)元素的種類與含量、氣體含量、粒度分布」。

石英雜質(zhì)元素種類與含量

由于工藝技術(shù)和原礦特征等因素，石英砂不可避免存有殘余雜質(zhì)，主要包括Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B、Ge等。

石英玻璃用石英砂的雜質(zhì)元素要求

（1）鋁元素雜質(zhì)

鋁是石英砂的主要雜質(zhì)元素，在晶格中替代Si4+的Al3+，一般很難除掉。少量鋁不會(huì)影響石英玻璃的外觀質(zhì)量，但Al3+替代Si4+后，會(huì)引入平衡電荷離子（Na+、Li+等），另外在x或γ射線輻照下，Al3+、Ge3+會(huì)產(chǎn)生色心，危害石英玻璃耐輻照性能。

（2）堿金屬雜質(zhì)

在高溫下（＞1000℃），堿金屬雜質(zhì)會(huì)誘導(dǎo)石英玻璃析出SiO2晶體，對(duì)石英制品的熱穩(wěn)定性具有較大的影響。

同時(shí)，堿金屬雜質(zhì)會(huì)降低石英玻璃的熔點(diǎn)及軟化點(diǎn)，嚴(yán)重惡化其使用性能。電子工業(yè)中使用的石英玻璃器件，如石英坩堝、擴(kuò)散爐管、石英電偶管、支架等，要求高純及耐高溫，非金屬雜質(zhì)也會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入電子元器件中，故應(yīng)盡量降低石英玻璃中的堿金屬雜質(zhì)含量。

連熔透明石英玻璃管的原料要求

（3）過(guò)渡金屬雜質(zhì)

過(guò)渡金屬（Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Zn等）含量對(duì)高純石英玻璃影響也特別嚴(yán)重，如果微量金屬溶解或溶入硅熔體，會(huì)破壞其導(dǎo)電性；且多數(shù)過(guò)渡金屬會(huì)吸收紫外、可見(jiàn)和遠(yuǎn)紅外光，破壞石英玻璃的光學(xué)性能，對(duì)于光纖來(lái)說(shuō)，雜質(zhì)引起的微觀不均勻，會(huì)增加光纖損耗，甚至導(dǎo)致信號(hào)失真。

（4）硼元素雜質(zhì)

對(duì)某些石英玻璃的應(yīng)用，如CZ坩堝，要求比較低的一致性好的硼含量。硼含量與礦床地質(zhì)有直接關(guān)系，這是由于硼離子進(jìn)入硅酸鹽骨架結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵，而不是孤立地含在含硼礦物中。

氣體含量

石英礦中的流體包裹體，在熔制過(guò)程中將成為玻璃熔體中的氣體。SiO2熔體的粘度高，包裹氣體不易排除，反而長(zhǎng)大成氣泡，在拉管或棒時(shí)產(chǎn)生氣線，影響石英玻璃的質(zhì)量。升高熔制溫度，雖可降低熔體粘度，利于排除氣體，但SiO2揮發(fā)量增加，得料率則會(huì)降低和能耗升高。

原料的加工工藝及石英玻璃的熔制工藝，如電阻爐化料、連熔爐拉管等，都有排氣過(guò)程。有些氣液包裹體會(huì)在石英原料熔化前破裂，并排出氣體；另有些包含氣體（如小分子氣體He和H2）雖不會(huì)立刻排出，但在800～1400℃高溫固體或熔體中的擴(kuò)散系數(shù)大，能滲透排出。此外，延長(zhǎng)排氣時(shí)間，可排除水、氧、氮、HCl、SO2、H2S等擴(kuò)散系數(shù)小的氣體。CO、CO2、CxHy等氣體極難從固體或熔體中排出，它們的含量影響石英玻璃的透明度。

粒度分布

石英砂的粒度分布影響石英玻璃的氣泡數(shù)量和熔制工藝參數(shù)。由于表面活化能的差別，小顆粒比大顆粒先熔化，已熔化的石英將覆蓋于未熔的石英顆粒表面，致使氣泡無(wú)法排除。小顆粒間隙所包含的氣體量多，增加排氣的難度。小顆粒還容易揮發(fā)，浪費(fèi)原料；粗顆粒石英則難于徹底熔化，形成玻璃中的顆粒結(jié)構(gòu)。實(shí)際使用的原料粒度取決于熔制工藝。

石英玻璃熔制工藝所用石英砂粒度

外觀形狀則以近似球形為最佳，針狀原料造成加料不暢，形成架棚現(xiàn)象，導(dǎo)致熔制過(guò)程形成氣泡。石英的顆粒形狀主要是由加工技術(shù)決定，我國(guó)現(xiàn)有原料加工技術(shù)，易形成針狀的原料，其長(zhǎng)寬比在1:4-1:7之間。國(guó)外所用原料，一般為粒狀、近似球形。

由于成因及礦物特征的多樣性，各石英生產(chǎn)企業(yè)在選擇石英玻璃原料時(shí)，要考察石英礦的包裹體特征，選用包裹體數(shù)量少或易爆破的石英原料，并根據(jù)石英礦中有害雜質(zhì)元素的賦存狀態(tài)，確定石英粉料的加工工藝。

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