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高纯石英玻璃是怎么制备出来的？

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2023-09-07 16:04 阅读：*****

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石英玻璃的制备方法可以分为两大类。

高纯石英玻璃制备方法分类

1、天然石英玻璃

第一类是以天然石英晶体或硅石为原料进行熔制得到，称为天然石英玻璃（Natural Silica Glass）。根据热源和工艺的不同可以将第一类方法细分为电熔法，气炼法，等离子体熔制法等。其中，电熔法是通过电加热将坩埚内的粉末状石英原料进行熔化，随后经过快速冷却的玻璃化过程形成石英玻璃。电加热的方式包括电阻加热、电磁感应加热等。在熔化过程中石英晶体的结构历经从β-石英到α-石英，再到α-方石英（同时伴随有非晶相的产生）的转变，直至加热到约1723℃时开始形成石英熔体。

高纯石英砂（图源：矽比科）

石英粉料的熔化过程通常在高度真空（0.1~10 Pa）的环境中进行，以去除该过程中释放产生的气体和降低石英玻璃中的气泡含量。采用电熔法制备的石英玻璃，其品质主要取决于原料的纯度。石英原料中的金属杂质通常很难去除，因此电熔石英玻璃中的金属杂质一般含量较高且难以控制。通过烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用电熔法可以制备出羟基含量较低的石英玻璃。

2、合成石英玻璃

第二类是以含硅化合物（包括卤化硅，氢化硅及有机硅等）为原料通过化学反应合成得到，称为合成石英玻璃。根据反应原理的不同可以将第二类方法分为三种：第一种为含硅化合物在无水环境中发生热氧化作用生成SiO₂，常见的为等离子体化学气相沉积法（PCVD）；第二种为含硅化合物在氢氧火焰中发生水解反应（往往同时伴随有氧化反应），称为火焰水解沉积法（FHD）；第三种为含硅化合物在水介质中发生水解反应，称为溶胶-凝胶法（Sol-Gel）。其中工业中应用最广泛且最成熟的技术为FHD法，具体包括直接合成法和间接合成法。在直接合成法中，水解反应在较高的温度下进行，生成的SiO₂颗粒呈熔融状态，可以直接沉积到基板上经过冷却得到石英玻璃；而在间接合成法中，水解反应的温度较低，生成的SiO₂颗粒呈烟灰状，因此首先沉积得到SiO₂疏松体，随后SiO₂疏松体经过脱羟、掺杂、烧结及冷却过程得到石英玻璃。

电熔法和两步 CVD 法制备石英玻璃锭的流程对比图

工业中常见的直接合成法为化学气相沉积法（CVD），间接合成法包括在CVD法基础上改良的两步CVD法、气相轴向沉积法（VAD）及管外气相沉积法（OVD）等。这些方法的区别在于制备工艺和产品不同，如CVD法和两步CVD法主要应用于制备大尺寸石英玻璃锭，而VAD和OVD法主要用于制备石英玻璃光纤预制棒等，但它们的原理都是基于FHD。

石英玻璃锭

光纤预制棒

3、热改型法

实际工业应用中往往对石英玻璃产品的形状有要求，如半导体产业中经常用到高纯石英玻璃管、石英玻璃棒等，因此石英玻璃产品的改型在石英玻璃制造领域占有重要的地位。目前工业中对石英玻璃产品改型主要采用的是热改型法，即通过加热石英玻璃使其软化，然后根据实际需要对其形状进行改变。

合成石英玻璃管（图源：贺利氏）

热改型法首先通过将石英玻璃母材加热软化，然后通过槽沉、拉制等方法获得所需要的产品。如下图所示，炉体的加热方式为电磁感应加热。炉内感应线圈中通入的交变电流在空间中产生交变的电磁场，电磁场作用于发热体产生电流和热量。

（a）石英玻璃棒和（b）石英玻璃管热改型炉（图中部件：1-石英玻璃母棒；2-发热体；3-石英玻璃棒；4-石英玻璃母管；5-感应线圈；6-石英玻璃管；7-牵引器）

随着温度升高，石英玻璃母材发生软化，此时通过牵引器下拉即可形成石英玻璃棒/管。通过调节炉内温度和下拉速度，可以拉制出不同直径的石英玻璃棒/管。电磁感应加热炉的线圈布置和炉体结构对于炉内温度场有很大的影响，在实际生产中需要严格控制炉内的温度场来保证石英玻璃产品的质量。

资料来源：马千里：高纯石英玻璃制备过程的研究和工艺优化，华中科技大学

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