2019年1月3日上午10点26分，嫦娥四号实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信，开启了人类月球探测新篇章。
　　嫦娥四号历经26天飞行成功着陆，离不开太阳敏感器（用于航天器轨道控制和姿态控制），而作为太阳敏感器关键材料—中国建材总院石英院研制的耐辐照石英玻璃更是功不可没。
 

▲耐辐照石英玻璃

 
　　石英玻璃被誉为玻璃材料中的“皇冠”，是一种以SiO2为单组分的玻璃，具有超强的机械力学性能、热性能、光学性能和电学性能。在半导体、光学器件、光通讯、太阳能等行业中，发挥着不可替代的作用。高纯石英砂是目前取代水晶矿，熔炼石英玻璃的主要原材料。
 
1、石英玻璃的种类
 
　　根据熔炼工艺的不同，商业化石英玻璃主要分以下四类：
 
（1）真空气氛下电熔工艺，原料使用高纯石英砂（40目~80目）。羟基含量小（1ppmw~10ppmw），但相对来说，气泡与金属杂质含量高，Al（30ppmw~100ppmw），Na（4ppmw）。商用品名有Infrasil，G.E.105，201，204。

（2）气炼工艺，以氢气或其他含氢燃料与氧气作为能源熔制石英玻璃，原料使用高纯石英砂（100目~200目）。熔炼过程中金属污染少，气泡少，但由于氢氧气氛下，羟基含150ppmw~400ppmw。商用品名有Herasil，Homosil，Optosil，G.E.104。
 
（3）火焰水解合成石英玻璃（CVD），SiCl4喷入氢氧焰中水解。基本没有金属杂质，但含有偏高的羟基（1000ppmw）和Cl（100ppmw）。商用品名SuprasilS，Spectrosil，Corning7940。
 
（4）合成石英玻璃（PCVD），无水的等离子焰中水解SiCl4。与第三种类似但羟基只有0.4ppmw，Cl为200ppmw。商用品名SuprasilW，SpectrosilWF，Corning7943。

2、石英玻璃的性能及用途

（1）热学性能方面，石英玻璃的耐高温变形、抗热振性能好。其软化点（1665℃）与铂的熔点接近；平均线膨胀系数很低（α=5.4×10-7/℃），仅仅为普通玻璃的1/10~1/20，就是在高温下迅速投入冷水中，也不会碎裂。
 
石英玻璃以其优良的热学性能广泛应用于提炼单晶硅和多晶硅，用其制成的石英坩埚能承受晶圆加工中退火等快速热处理工艺的压力，是光伏产业和半导体产业中不可或缺的材料。

（2）化学性能方面，石英玻璃极不活泼，是良好的耐酸材料（氢氟酸除外），甚至在高温下也不与酸反应。特别适合做高温耐酸燃烧、冷却装置及酸性化学品的制备和储藏装置以及各种化学实验玻璃器皿。
 
（3）光学性能方面，其对整个光谱都有良好的透光性，紫外线及红外线范围内光学高透过率是一般光学玻璃所不具备的，可以作为各种光学设备的棱镜和透镜；高温作业、反应堆窗口；光通讯领域中的光纤和光电器件；利用了其对光的高透射性，加上高温稳定性和抗热震性，使其在高温灯管领域的广泛应用，如紫外灯、红外灯、水银灯、氙气灯和卤素灯等的高温灯管。
 
（4）电学应用中，石英玻璃是极好的绝缘材料，常温下电阻值（1016Ωm）相当于普通玻璃（1014Ωm）的100倍，适合制造耐高温的高频高压绝缘子。
 
3、杂质对石英玻璃制品的影响

　　石英玻璃综合性能高，具有良好的热学性能、光学性能、电学性能，但微量的杂质就能大大减低其性能。因此，控制石英玻璃中杂质的含量，提高石英玻璃的纯度有利于提高石英玻璃的性能。而石英玻璃的纯度直接取决于原料|—高纯石英砂的纯度，同时根据加工的条件、方法不同也会引入部分杂质。
 
（1）碱（碱土）金属元素
 
　　石英玻璃里面的碱（碱土）金属元素，能降低石英玻璃的机械强度、热学性能和光学性能。特别是在石英玻璃高温（>1000℃）应用中，碱（碱土）金属杂质能起到助熔作用，形成结晶核心，使石英玻璃出现析晶失透、变形等不良现象。
 
（2）Al、B元素
 
　　微量Al的渗入即能降低石英玻璃高温黏度，也能增强玻璃析晶作用，降低石英玻璃的应用性能。因此应控制石英玻璃中Al含量，一般要求Al含量需低于20ppmw，半导体和石英坩埚中更是要求低于10ppmw；多晶硅拉制单晶硅时，B元素超标对单晶硅的电阻起到巨大的影响。
 
（3）过渡金属元素
 
　　过渡金属元素Fe、Ni、Mn、Zn等取代Si，容易使石英玻璃产生色斑，光透率降低，还会破坏玻璃的绝缘性，对电器设备的稳定性造成较大影响。
 
（4）羟基
 
　　在石英玻璃熔炼过程中，水与SiO2反应，生成羟基（-OH），羟基含量的多少与熔炼气氛密切相关。通常情况下，氢氧焰气炼石英玻璃羟基含量较大（150~400ppmw），而真空电熔石英玻璃羟基仅为1~10ppmw。
　　羟基和碱金属一样能降低玻璃黏度，从而降低耐温性；影响热膨胀系数，降低热震性；羟基会吸收红外线，减少红外线透过率；它的存在，还会增大石英玻璃的析晶率，从而，制品的高温使用寿命降低。
 
（5）气液包裹体
 
　　石英矿普遍存在的气液包裹体是形成石英玻璃气泡的主要因素，气泡能劣化石英玻璃光学性能和力学强度。
　　石英熔体粘度高，是石英玻璃的优良特性，但熔炼石英玻璃时，这却成了缺点。石英玻璃熔炼时，原料中的气体包裹体形成气泡，熔体升温至1700℃，黏度仍高达105Pa·s，气泡不易浮出。虽然继续升温，可降低石英熔体黏度，但加热至1900℃后，石英汽化作用增快，大幅增加能耗并造成材料大量损失。
　　总之，不同领域对石英玻璃性能的要求和侧重点不同，其对杂质种类和数量的限制要求也不同。灯管和光学行业中Al含量不能超过20ppmw，其他的金属杂质应小于1ppmw，总杂质含量控制在30ppmw以内。半导体和石英坩埚对杂质含量要求更苛刻，Al含量应尽可能的少，一般小于10ppmw，其他金属杂质小于0.1ppmw，总杂质含量控制在15ppmw以内。
 

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2019年3月23-25日 | 中国地质大学（北京）
 
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编辑整理：粉体技术网
 

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