玻璃材料的“皇冠--石英玻璃

石英玻璃成分為二氧化硅，具有透過率高、光學(xué)均勻性優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)低、耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、電絕緣性能和耐激光損傷性能好等一系列優(yōu)異的性能，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)、光學(xué)、光伏、半導(dǎo)體等國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和航空航天等國防領(lǐng)域發(fā)展中不可或缺的重要基礎(chǔ)性材料。

石英玻璃制備方法可以分為兩大類，是以天然石英晶體或硅石為原料進(jìn)行熔制得到，稱為天然石英玻璃，主要有電熔法，氣煉法，等離子體熔制法；第二類是以含硅化合物（包括鹵化硅，氫化硅及有機(jī)硅等）為原料通過化學(xué)反應(yīng)合成得到，稱為合成石英玻璃，常見的方法有化學(xué)氣相沉積法（CVD）、等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）和間接合成法。

電熔法 電熔法是通過電加熱將坩堝內(nèi)的粉末狀石英原料進(jìn)行熔化，隨后經(jīng)過快速冷卻的玻璃化過程形成石英玻璃，主要有電阻、電弧和中頻感應(yīng)等加熱方式。

采用電熔法制備的石英玻璃，其品質(zhì)主要取決于原料的純度。石英原料中的金屬雜質(zhì)通常很難去除，因此電熔石英玻璃中的金屬雜質(zhì)一般含量較高且難以控制。通過烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用電熔法可以制備出羥基含量較低的石英玻璃。

氣煉法 氣煉法是利用氫氧焰將天然石英熔化，然后在石英玻璃靶面上逐漸堆積而成。氣煉法生產(chǎn)的熔融石英玻璃主要用于電光源、半導(dǎo)體工業(yè)、球形氙燈(用于火車頭前照燈)等。早期較大口徑的透明石英玻璃管和坩堝是用高純石英砂在專用設(shè)備上利用氫氧焰直接熔制�，F(xiàn)在常用氣煉法制備石英砣，再將石英砣進(jìn)行冷或熱加工制成需要的石英玻璃制品。

氣煉法工藝設(shè)備簡單，綜合能耗低，制備的熔融石英玻璃氣泡少，但是產(chǎn)品尺寸誤差較大，易形成不光滑的波紋狀表面。另外，采用氫氧焰制備時，氫氣分子或者是氫氣與氧氣燃燒時生成的水會分別與二氧化硅反應(yīng)生成羥基，導(dǎo)致產(chǎn)品中羥基含量偏高。

等離子體熔制法 等離子體熔制法是采用等離子體為熱源，高純石英砂為原料，直接熔融制備得到石英玻璃。該方法熔制過程中不會引入外界雜質(zhì)，因而采用等離子熔制法制備的石英玻璃純度高、羥基含量低。缺點(diǎn)是不能制備大尺寸產(chǎn)品，制備的產(chǎn)品表面有不同程度的凹凸，需進(jìn)行機(jī)械加工及清洗，以達(dá)到所需的尺寸精度及表面光潔度。另外，該工藝成本高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

     氣相沉積法（CVD） 高純SiCl4經(jīng)汽化后在H2-O2火焰中發(fā)生高溫水解反應(yīng)，并逐步沉積至沉積基底上制備得到的石英玻璃。采用CVD法制備石英玻璃從本質(zhì)上避免了金屬雜質(zhì)的引入。此方法制備的石英玻璃具備大尺寸、高均勻、高閾值和高光譜透過等特性，是光學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵材料。

  等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD） 高純SiCl4經(jīng)汽化后在無氫的等離子焰中高溫氧化、熔制成超高純合成石英玻璃。其金屬雜質(zhì)含量和羥基含量低（小于1ppm），可實(shí)現(xiàn)寬光譜高透過（190-3200nm）。

     間接合成法 高純SiCl4原料經(jīng)汽化后在~1000℃的氫氧火焰中反應(yīng)并沉積形成SiO2疏松體，經(jīng)脫羥和玻璃化燒結(jié)制備的高純低羥基石英玻璃。其金屬雜質(zhì)含量和羥基含量低（小于1ppm），可實(shí)現(xiàn)寬光譜高透過（190-3200nm）。 石英玻璃堪稱玻璃材料的“皇冠”，它是多個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的“咽喉”材料，對于相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定具有重要意義。