石英的特性

羟基含量

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。

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
粘度是材料在剪切应力作用下流动阻力的量度。 由于“流动性”的范围很广,粘度标度通常用对数表示。 表达粘度的常用玻璃术语包括应力点、退火点和软化点,定义如下: 应力点: 内应力在 4 小时内大量释放的温度。 对应的粘度是 10 14.5 泊(泊 = dynes/cm 2 sec)。 退火点: 内应力在 15 分钟内大量释放的温度,粘度为 10 13 泊。 软化点: 玻璃在自重情况下变形的温度,粘度约为 10 7.65 泊。 根据测量条件的不同,熔融石英的软化点为 1500°C 到 1670°C。

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
方石英在成核点的生长速率取决于特定环境因素和材料特性。 温度和石英粘度是影响晶体生长速率的最重要因素,而氧气和水蒸气分压也会产生一定影响。 结果,随着羟基 (–OH) 含量的增加、粘度的降低和温度的升高,熔融石英的析晶速率有所上升。 因此,Momentive Technologies 生产的高粘度、低羟基含量的熔融石英材料在抗析晶性方面具有明显优势。 如果温度在 1000°C 以下,一般不会发生向β方英石的相变。 如果熔融石英在晶体学反转温度范围内(约 270°C)进行热循环,这种相变可能会破坏其结构完整性。 伴随这种反转而来的是密度的大幅变化,并且可能导致剥离和潜在的力学失效。
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。

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