石英的特性
Hydroxyl Content
Momentive Technologies’ quartz products have a very low hydroxyl level, which results from the unique electric fusion process. The term Beta Factor is often used to characterize the hydroxyl (–OH) content of fused quartz. This term is defined by the calculation of hydroxyl content from IR transmission.
反应性
Momentive Technologies 的石英产品具有非常低的羟基含量，这要得益于独特的电熔工艺。 Beta 因子通常用于表征熔融石英的羟基 (-OH) 含量。 术语“羟基含量”是通过根据红外透射计算羟基含量来定义的。
下图显示了熔融石英在室温下在氢氟酸中的溶解速率。
在真空中观察高温下各种元素和化合物对熔融石英的影响。 如反应表中所示， 每个样品都在最低温度放置了一小时，然后在第二低温度下放置一小时，依此类推。 当然，反应程度也与时间有关。
渗透性
熔融石英基本上不渗透绝大多数气体，但氦、氢、氘和氖都可以通过玻璃扩散。 扩散速率随温度和压差的升高而有所增加。
在 700°C 下通过熔融二氧化硅估算的渗透常数
下图显示了熔融石英在室温下在氢氟酸中的溶解速率。
通过石英扩散
各种离子能够通过石英扩散对半导体应用而言至关重要。 附表显示了各种离子通过不同厚度的石英扩散的时间。 所有值均基于扩散系数和 1000°C 的温度计算。
力学特性
熔融石英具有与其他玻璃几乎相同的力学特性。 此材料的抗压性极强，其设计抗压强度超过 1.1 × 109 Pa (160,000 psi)。
表面缺陷可大幅降低任何玻璃的内在强度，因此会对抗拉性能产生极大影响。 对于表面质量较好的熔融石英，其设计抗拉强度超过 4.8 × 107 Pa (7,000 psi)。 在实际应用中，推荐的设计应力通常为 0.68 × 107 Pa (1,000 psi)。
熔融石英的典型物理特性
| 特性 | 典型值 |
|---|---|
|
密度 |
2.2 x 103 kg/m3 |
|
硬度 |
5.5 - 6.5 摩氏硬度
570 KHN 100 |
|
设计抗拉强度 |
4.8 × 107 Pa (N/m2) (7,000 psi) |
|
设计抗压强度 |
> 1.1 × 109 Pa (160,000 psi) |
|
体积模量 |
3.7 × 1010 Pa (5.3 × 106 psi) |
|
刚性模量 |
3.1 x 1010 Pa (4.5 x 106 psi) |
|
杨氏模量 |
7.2 x 1010 Pa (10.5 x 106 psi) |
|
泊松比 |
0.17 |
|
热膨胀系数 (20°C - 320°C) |
5.5 X 10-7 cm/cm • °C |
|
导热系数 (20°C) |
1.4 W/m • °C |
|
比热 (20°C) |
670 J/kg • °C |
|
折射率 |
1.4585 |
|
收敛性（Nu 值） |
67.56 |
|
剪切波速 |
3.75 x 103 m/s |
|
声波/压缩波速 |
5.90 x 103 m/s |
|
声波衰减率 |
Less than 11 db/m MHz |
注：典型值仅供参考。
Momentive Technologies 熔融石英与合成熔融二氧化硅的对比图
电学特性
由于熔融石英的电导率本质上是离子特性，而碱离子只作为痕量组分存在，因此熔融石英是具有电绝缘和低损耗介电特性的首选玻璃材料。 在极高温度下和较宽频率范围内也能保持电绝缘性和微波透射性。
熔融石英的典型电学特性
熔融石英的典型电学特性
| 特性 | 典型值 |
|---|---|
|
电阻 |
在 350°C 下为 7 × 10 9 Ω-cm |
|
介电损耗因数 |
在 20°C 和 1 MHz 下小于 0.0004 |
|
介电常数 |
在 20°C 和 1 MHz 下为 3.75 |
|
介电强度 |
5 X 10 7 V/m at 20°C and 1 MHz |
|
耗散因数 |
在 20°C 和 1 MHz 下小于 0.0001 |
光学特性
由于透明度反映了材料的纯度和制造方法，光学透射特性提供了区分各类玻璃质二氧化硅的方式。
具体指标是紫外截止波长以及在 245 nm 和 2.73 μm 处是否存在吸收带。 对于 10 毫米厚的样品和纯熔融石英，范围约 155-175 nm 的紫外截止波长反映了材料的纯度。
过渡金属杂质的存在将使截止波长向更长的波长移动。 需要时，比如在使用 Momentive Technologies 219™ 熔融石英时，可特意掺入钛金属 (Ti)，以提高紫外吸收性能。 在 245 nm 处的吸收带代表了某种还原玻璃和经电熔制成的材料的特征。 例如，如果玻璃质二氧化硅通过“湿法”工艺形成，无论是焰熔材料还是合成材料，掺杂结构的羟基离子的基本振动带在 2.73 μm 处都会表现出强烈的吸收性能。
紫外截止波长
正如透射曲线所示，Momentive Technologies 的 214™ 熔融石英在小于 <160 nm 处具有紫外截止波长（厚度为 1 毫米），在 245 nm 处具有较低吸收性，并且由于存在羟基离子而未表现出明显的吸收性能。 19™ 熔融石英中的钛含量约为 100 ppm，厚度为 1 毫米的样品在 230 nm 处具有紫外截止波长。
高红外透射率
对于厚度为 1 毫米的样品，红外边缘在 4.5-5.0 μm 之间。 Momentive Technologies 214/124™ 电熔石英是一种非常有效的红外透射材料。 其红外透射可延伸到大约 4 μm 处，在 2.73 μm 的“水带”中几乎没有吸收性。 Momentive Technologies 的电熔石英与焰熔石英（通常被称为“湿”石英）的区别便在于此。 这种差异表现在红外范围内的透射率上。
转换为其他厚度
可通过以下公式转换为其他厚度：
T = (1−R)2e –at
T = 以小数表示的透射百分率。
R = 单面表面反射损耗。
e = 自然对数的底数
a = 吸收系数–1
t = 厚度 (cm)
热学特性
熔融石英最重要的特性之一是其极低的热膨胀系数：5.5 × 10-7/°C (20-320°C)。 此系数是铜的 1/34、硼硅酸盐玻璃的 1/7。 这种特性让该材料特别适用于光学平面镜、反射镜、炉窗以及需要对热变化有最低敏感度的关键光学应用。
它还有一个相关的特性，即超高的抗热震性。 For example, thin sections can be heated rapidly to above 1500°C and then plunged into water without cracking.
温度效应
熔融石英在室温下是固体材料，但在高温下会表现出所有玻璃的特征。 它不会经历像晶体材料所经历的不同熔点，而是在相当广泛的温度范围内软化。 这种从固体到类塑料行为的过渡（称为转换范围）通过粘度随温度的连续变化进行区分。
粘度
熔融石英的典型粘度值
| 特性 | 典型值 |
|---|---|
|
软化点 |
1683°C |
|
退火点 |
1215°C |
|
应力点 |
1120°c |
析晶
析晶与颗粒的产生是影响熔融石英高温性能的限制因素。 析晶过程分为两步：成核与生长。 一般情况下，熔融石英的析晶速率较慢，主要有两个原因：方石英相只能在自由表面成核，以及结晶相生长速率较低。
熔融石英材料的成核通常由碱金属元素和其他金属的表面污染引起。 相比化学计量熔融石英材料，在非化学计量熔融石英材料（如 Momentive Technologies 熔融石英）中，这种异相成核速度较慢。
方石英生长
抗下垂性
影响熔融石英抗下垂性的最重要化学因素是羟基 (–OH) 含量。 Momentive Technologies 通过控制石英中的羟基 (–OH) 含量来满足客户的特定需求。 为最大限度地提升用于高温半导体工艺的管材性能，了解管径和管壁厚度变化的影响因素尤为重要。 一项针对 214 LD 熔融石英管进行的研究发现，随着管壁厚度的增加，下垂速率有所降低。 通常在壁厚增加 1 倍时，下垂速率可下降约 3 倍。 研究还显示，在固定壁厚的情况下，下垂速率也会随管径的减小而降低。
破裂计算
熔融石英在室温下是固体材料，但在高温下会表现出所有玻璃的特征。 它不会经历像晶体材料所经历的不同熔点，而是在相当广泛的温度范围内软化。 这种从固体到类塑料行为的过渡（称为转换范围）通过粘度随温度的连续变化进行区分。
管材破裂公式
可通过以下公式转换为其他厚度：
S = pr/t
S = 环向应力 (Pa)
p = 工作压力 (Pa)
r = 内壁半径 (mm)
t = 壁厚 (mm)
当内部压力超过 7×105 Pa (100 psi) 时，此公式不适用。
圆盘和板材破裂公式
许多使用熔融石英盘、板材和视镜的应用需要计算压差。 以下公式适用于夹持或非夹持边缘的圆形部件在室温条件下的应用。
p = 压差 (Pa)
r0 = 无支撑圆盘半径 (mm)。 板材则用宽度代替 r0
SMAX = 最大应力（安全系数约为 7:1）7.0 x 106 Pa
t = 圆盘厚度 (mm)
但是，以下因素会影响这些部件的强度，在使用公式时必须考虑：
- 表面应高度抛光且无划痕
- 将样品夹入压力装置中的方式
- 使用的夹具材料
- 表面上以及各表面之间的预期热梯度
- 加压速率
- 样品温度
点击此处使用石英计算器。
使用指南
对于当今的熔融石英用户来说，一个重要的考虑因素是产品技术支持的可用性。 Momentive Technologies 针对其产品配备了设施齐全的分析和开发实验室，并拥有一支材料和熔融专家团队，为客户需求提供支持。 先进的分析设备保证最佳生产质量，同时确保 Momentive Technologies 石英产品符合严格的行业标准。
尽管 Momentive Technologies 相信这些信息准确无误，但其并不作为对所涉主题的详尽审查，因此，Momentive Technologies 对信息的准确性或完整性不作任何保证。 建议客户自行查阅参考资料，以确保产品适合其特定使用需求。
本网站显示的物理特性和其他信息源自多个来源，包括 Momentive Technologies 技术实验室、教科书和技术出版物。
熔融石英的清洁
- 产品应在加入脱脂剂的去离子水或蒸馏水中清洗。
- 之后，将熔融石英放置在 7%（最高）的氟化氢铵溶液（不超过 10 分钟）或 10%（最高）的氢氟酸溶液中（不超过 5 分钟）。
- 表面蚀刻工艺会去除少量熔融石英材料以及任何表面污染物。
- 由于水渍可能会导致污垢附着并在随后的加热过程中引起析晶，因此应将石英在去离子水或蒸馏水冲洗几次后进行快速干燥，以避免水渍的产生。
- 始终使用干净的棉质手套以减少污染的可能性，这点至关重要。
熔融石英的退火
像其他玻璃材料一样，熔融石英在热处理后可能会产生应力。 为避免这种应力，必须对玻璃进行彻底冷却。 退火原理如下：
-
提高玻璃的温度，使其达到释放应力的温度点。
-
保持在这个温度下，直到整个玻璃达到温度均衡。
-
慢慢地将玻璃冷却到其变硬的温度。
根据应用情况，剩余应力或设计应力可采用以下范围：1.7 × 10 5 – 20.4 × 10 5 Pa (25-300 psi)。 一般情况下，对于厚度小于 25 毫米的部分，可以冷却到每小时 100°C。
熔融石英的处理
像任何在高温下也具有设计寿命的材料一样，熔融石英需谨慎处理和使用以实现产品性能最大化。
存储
- 提高玻璃的温度，使其达到释放应力的温度点。
- 保持在这个温度下，直到整个玻璃达到温度均衡。
- 慢慢地将玻璃冷却到其变硬的温度。
表面清洁度
- 几乎任何形式的污染都是有害的
- 碱性的溶液、盐或蒸气尤其有害
- 徒手处理会导致大量汗碱沉积，在析晶后会留下清晰的指纹
- 表面残留的水滴会从空气中吸收大量污染物，促使产生导致析晶的水渍和水印。
- 面污染促进方石英的成核
熔融石英炉管的旋转程序
以下程序是为了在扩散管上形成一层均匀的方石英层，以增加抗析晶性。
- 将扩散管放入 1200°C 的熔炉中，在前 30 小时内每两小时旋转 90°。
- 如果由于生产进度而无法遵循这一程序，则将扩散管放入 1200°C 的熔炉中，在前 8 小时内每两小时旋转 90°，然后将熔炉重新调整到操作温度。
- 此程序有助于在高温下最大限度地减少下垂，以延长扩散管的使用寿命，条件是熔炉可提供足够的力学支撑。
曝光变色
- 由天然原料制成的熔融石英经过长时间的高能辐射（如短紫外线、X 射线、伽马射线和中子）照射会出现曝光变色或褪色的现象
- 熔融石英的纯度越高，越不易产生曝光变色
- 合成熔融二氧化硅对曝光变色具有高抵抗力•将熔融石英加热到高温，可对其曝光变色进行热漂白处理
解离
- 将熔融石英加热到高温（约 2000°C）会导致二氧化硅发生解离或升华。
- 通常可理解为：SiO2 → SiO + ½O2。
- 在用火焰加热熔融石英时，会在高温区域外形成一缕烟雾。烟雾的形成可能是由于氧化硅与空气（可能还有水）中的氧气重新结合，并凝结成极小的非晶质二氧化硅颗粒。 通过在氢氧火焰中轻轻加热，可以消除表面的烟雾。
- 熔融石英在还原条件下加热时，离解作用明显增强。
- 熔融石英在还原条件下加热时，离解作用明显增强。
例如，在加热过程中若接近或接触石墨，将导致二氧化硅的快速解离。
