石英玻璃的应用及制备方法

背景及概述^[1]

石英玻璃为以二氧化硅为单一组分的玻璃。石英玻璃的纯度要求很高。石英玻璃主要由气炼法和电熔法生产。它像普通玻璃那样，可制成板、管、棒，可以加工成各种仪器、器皿，还可以制成石英纤维、石英棉等。和一般玻璃相比，石英玻璃具有极特殊的物理、化学性能。由于石英玻璃纯度高和化学稳定性好，在半导体行业中为防止杂质的引入而大量使用石英玻璃材料。它在化学工业中是优良的耐酸材料，胜过一切耐酸金属与合金。利用石英玻璃的耐高温性，可用作热电偶的保护管，测1700℃～1 800℃的钢水温度(插放15～25s)。用石英玻璃制成的棱镜、透镜、反射镜在化学仪器上有重要用途。在空间技术中，石英玻璃广泛用于制作火箭、导弹的鼻锥体、喷嘴和天线罩、人造卫星的窗口等。

应用^[2-3]

石英玻璃是由单一组分的二氧化硅组成的特种玻璃，以一系列的优异特性被称为“玻璃之王”，在新型电光源、半导体集成电路、核工业、航空航天、激光技术和国防科技等高科技领域应用广泛。石英玻璃有许多特点：硬度高，莫氏硬度7；线膨胀系数小，仅为 0.55×10^-6/℃(0～300℃)；耐高温，但由于高温加热时能失去其结晶水，所以连续使用温度在900℃以下，瞬时使用温度可在1300℃以 下；对化学品具有很高的稳定性；紫外线及红外线透过率高；介电损失小；电绝缘性高；优异的耐热耐腐蚀性，除氢氟酸和热磷酸外，不受其他酸的侵蚀；耐热震性也很好。石英玻璃广泛用于工业容器、化学品器具、高压汞灯发光管、电绝缘体、高温透视窗、耐热喷嘴、光学仪器镜片、仪器零件、光导通信、医用器具、建材和激光技术及国防科技等。

制备^[3-4]

目前使用四氯化硅为原料制备石英玻璃的工艺主要有化学气相沉积和等离子化学气相沉积这两种化学合成的方法，也有专利提到采用溶胶-凝胶法。但溶胶-凝胶法通常用于制备薄膜材料，很少见到用于制备块体材料的工艺。采用化学合成方法制备出的合成石英玻璃不但品质较高，而且以四氯化硅为原料也很好地解决了多晶硅产业副产物对环境的污染问题；但现阶段化学合成方法的原料利用率为15%-20%左右，存在能耗大、效率低的问题。如何进一步提高原料利用率、降低能耗，对保护环境和节约能源以及实现整个石英玻璃行业的清洁无污染生产都有非常重要的意义。

有研究开发一种高纯石英玻璃的制备方法，包括如下步骤：

1）原料提纯：将多晶硅生产尾气先经过一级精馏塔，控制塔顶温度为40℃，塔顶绝对压力为3KPa，回流比为1：6，塔底温度为80℃，在塔顶采出溶有富含SiCl₄的混合气体，经检测此时SiCl₄的含量为35%；然后再将塔顶引出的混合气体引入二级精馏塔进行除杂提纯处理，控制塔顶温度为40℃，塔顶绝对压力为3KPa，回流比为1：6，塔底温度为100，塔顶采出气体，经检测SiCl₄的含量为98.8%；其余杂质气体收集后统一处理或利用；

2）化学汽相沉积制备石英玻璃锭：将步骤（1）中纯化后的SiCl₄在汽化器内加热至50℃使之挥发，汽化挥发量为150ml/L，然后经由压力为0.1MPa，流量为0.8m³/h的高纯氢气携带，送至汽相沉积反应炉内的供料管中，经由燃烧器的出口处与氢氧焰反应，其中，燃烧氢的压力1.1kg/cm²，流量25m³/h；燃烧氧的压力6.0kg/cm²，流量10m³/h；燃烧后在160℃下生成玻璃态的SiO₂，并在一定条件下将所述SiO₂沉积在沉积靶面上，形成石英玻璃锭；所述沉积条件为：沉积靶距220mm，沉积靶转速10r/min，沉积速率80g/h，累计沉积时间3天；

3）后处理：将步骤（2）中得到的石英玻璃锭进行退火处理，得到所述高纯石英玻璃。所述退火工艺为：在程序加热炉内以500℃/h的速率升温至1500℃，保持20min；然后以3℃/min的速率降温至950℃，再关闭加热炉的电源，随炉自然冷却到室温。

主要参考资料

[1] 实用精细化工辞典

[2] 中国成人教育百科全书·化学·化工

[3] CN201510878146.0 一种高纯石英玻璃的制备方法

[4] 从发明专利看石英玻璃合成工艺的研究与发展