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
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。
