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什么材料這么牛,“嫦娥”“北斗”“神舟”都用到了它!

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點擊次數:154 更新時間:2021年07月07日07:06:04 打印此頁 關閉
[導讀]  石英玻璃是由二氧化硅單一組分所構成的工業用技術玻璃,擁有一系列特殊的物理和化學性能。它具有優良的耐高溫性能,熱膨脹系數極?。?.5×10-7/℃),僅為陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20;良好的熱穩定性與熱傳導能力,以及具有高的介電場強度,很低的介電損失和導電性,可廣泛適用于高壓絕緣子材料;同時,它在整個光譜內具有良好的透過率(T157-4000nm≥80%),尤其在紫外和深紫外光譜范圍內的透過性能是一般光學玻璃所不具備的。由于其優異的理化性能,因而被應用于光學、光通訊、航空航天、半導體集成電路等高技術領域。

 6月17日,神舟十二號載人飛船發射圓滿成功。這是中國載人航天史上由中國人書寫的又一壯舉。而與三位宇航員一起奔赴太空的,還有這樣一種材料——耐輻照石英玻璃,“嫦娥”“北斗”“神舟”都用到了它!


此次耐輻照石英玻璃由中國建材集團所屬中國建材總院石英院制造。作為我國建材與無機非金屬領域研發實力極為雄厚的企業,中國建材集團多項新材料早已多次助力中國航天事業。


中國建材總院為嫦娥五號配套的耐輻照濾紫外石英玻璃、高純耐輻照石英玻璃及以該技術開發的光掩膜石英玻璃登場展示

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光掩膜石英玻璃(左)、耐輻照濾紫外石英玻璃(右上)、高純石英玻璃(右下)

來源:中國建材集團


石英玻璃到底為何牛,被新材料領域專家譽為“玻璃之王”?


石英玻璃的應用


石英玻璃是由二氧化硅單一組分所構成的工業用技術玻璃,擁有一系列特殊的物理和化學性能。它具有優良的耐高溫性能,熱膨脹系數極?。?.5×10-7/℃),僅為陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20;良好的熱穩定性與熱傳導能力,以及具有高的介電場強度,很低的介電損失和導電性,可廣泛適用于高壓絕緣子材料;同時,它在整個光譜內具有良好的透過率(T157-4000nm≥80%),尤其在紫外和深紫外光譜范圍內的透過性能是一般光學玻璃所不具備的。由于其優異的理化性能,因而被應用于光學、光通訊、航空航天、半導體集成電路等高技術領域。


·航空航天行業中的應用


耐輻照石英玻璃與高純石英玻璃具有特定的光學特性、耐宇宙射線輻照、抗熱沖擊等性能,成為航天飛行器姿控系統不可替代的光學元件。耐輻照石英玻璃具有耐宇宙射線截紫外的功能,特別適用于高軌衛星的太陽敏感器光學窗口,具有在軌服役時間長、性能穩定等優點。


·電光源行業中的應用


常見的低強度的節能燈、殺菌燈以及高強度的萊燈、鈉燈、金屬鹵化物燈、紅外線燈、紫外線殺菌燈都是石英玻璃電光源產品,殺菌燈被廣泛應用于飲食行業和醫療衛生行業。


·光纖行業中的應用


石英玻璃沉積管是光導纖維的結構材料,占光纖組分的90%以上,它的質量直接影響光纖傳輸性能和強度。


·電子信息、半導體行業中的應用


在對單晶硅片進行摻雜、擴散、氧化、退火等關鍵工序中使用的熔融石英擴散管;硅片外延工序使用的石英鐘罩;硅片酸洗和超聲波清洗工序使用的支架;控制單晶硅工序中使用的石英坩堝等。


·其他行業中的應用


超聲信號在熔融石英中的傳播速度比金屬小,延遲溫度系數低,可作為超聲延遲玻璃應用在雷達上。超聲波經大型多邊形熔融石英多次反射可以延遲1微秒以上,通過被反射的雷達信號測定移動目標的方位,具有實際應用價值。


在化工行業中,由于熔融石英具有耐酸、耐高溫、化學純度高等特性,是一些化工生產設備的理想材料。實驗室精餾水制取也一般采用石英玻璃精餾塔。


石英玻璃化學穩定性好、熱膨脹系數低,可用來制造精密儀器,如干涉儀、波長表、陀螺儀、重力儀等高精儀器。


石英玻璃的制備


石英玻璃的制備原料包括石英砂、硅化物。其中硅化物是指SiCl4、Si4O4(CH38等化合物,通過提純后純度可達99.999%以上。不同的原料,采用的制備工藝有所不同。石英砂原料主要采用電熔、氣煉、等離子工藝進行制備。選用硅化物原料時,一般采用合成工藝制備石英玻璃,主要有化學氣相沉積工藝CVD、等離子化學氣相沉積POD工藝兩類。而不同原料、工藝下制備的產品性能也有所不同。

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來源:陳婭麗等.光掩膜版用低羥基高純石英玻璃的研究


通過上圖可知,等離子合成法工藝所制備的產品性能優于化學氣相沉積合成工藝,其次是以石英砂為主的等離子工藝,最后是電熔法以及氣煉法。而另一方面,理想的石英玻璃是由硅氧鍵組成的短程有序、長程無序的非晶態固體,但是受制備條件和工藝的影響,石英玻璃中總會不可避免地存在金屬雜質含量多、羥基含量高或尺寸小等缺點。


石英玻璃制備的研究進展


為了制備大尺寸、滿足光學設計要求的石英玻璃,中國建筑材料科學研究總院所屬石英院的研發團隊通過槽沉工藝對石英玻璃進行處理,使石英玻璃“變形”——尺寸放大,外形改變,內質均化,性能提升。


兩步法工藝:以硅化物為原料,將粉末沉積與燒結獨立制備,通過優化控制燒結過程中的化學脫羥工藝,可有效降低羥基含量;通過優化工藝,檢測結果表明,兩步法氣相沉積工藝制備的石英玻璃具有更低的羥基含量≤1×10-6,以及良好的透過率85%以上,完全滿足高端光電技術領域的應用需求。


楊金鑫等公開一種高純度低羥基高均勻性石英玻璃的化學沉積方法,包括:


(1)在沉積腔體內,采用氣相軸向沉積法將硅源沉積得到低密度SiO2松散體;在沉積過程中,控制沉積腔體內為負壓環境,溫度不高于500℃;

(2)在充滿脫羥氣流和氧氣的密閉環境中,將低密度SiO2松散體加熱到1100~1300℃,使所述低密度SiO2松散體脫水、脫羥及致密化;接著,將低密度SiO2松散體置于惰性氣體環境中,加熱至1470~1600℃,使其玻璃化以形成透明石英玻璃;

(3)對透明石英玻璃進行退火處理,得到高純度低羥基高均勻性石英玻璃。本發明還公開了采用所述化學沉積工藝的裝置。


本發明的高純度低羥基高均勻性石英玻璃的化學沉積方法,生產過程連續性高,且生產的石英玻璃中金屬雜質含量極低。


中國科學院大連化學物理研究所公開“一種基于化學活化的石英玻璃低溫直接鍵合方法”。在非潔凈室環境下進行,無需真空條件,僅利用化學試劑超聲活化表面和低溫條件實現石英玻璃的鍵合,大大節約了實驗成本,方便快捷。


一種基于化學活化的石英玻璃低溫直接鍵合方法

 

來源:中國科學院大連化學物理研究所,國家知識產權局


小結


石英玻璃是由二氧化硅單一組分構成的特種工業技術玻璃,具有一系列特殊的物理和化學性能,被新材料領域專家譽為“玻璃之王”。經過多年的努力,我國石英玻璃行業目前已具有一定規模,具備各種類型石英玻璃的制備和生產能力。隨著航空航天、光通訊、半導體、光伏、電光源等高端領域的發展,石英玻璃市場需求得到不斷增長。尤其是高性能特種石英玻璃,應用寬泛、需求高,是我國石英玻璃制造業應加強研究、突破的重點。


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