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    什么材料這么牛,“嫦娥”“北斗”“神舟”都用到了它!

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    點(diǎn)擊次數:190 更新時(shí)間:2021年07月07日07:06:04 打印此頁(yè) 關(guān)閉
    [導讀]  石英玻璃是由二氧化硅單一組分所構成的工業(yè)用技術(shù)玻璃,擁有一系列特殊的物理和化學(xué)性能。它具有優(yōu)良的耐高溫性能,熱膨脹系數極?。?.5×10-7/℃),僅為陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20;良好的熱穩定性與熱傳導能力,以及具有高的介電場(chǎng)強度,很低的介電損失和導電性,可廣泛適用于高壓絕緣子材料;同時(shí),它在整個(gè)光譜內具有良好的透過(guò)率(T157-4000nm≥80%),尤其在紫外和深紫外光譜范圍內的透過(guò)性能是一般光學(xué)玻璃所不具備的。由于其優(yōu)異的理化性能,因而被應用于光學(xué)、光通訊、航空航天、半導體集成電路等高技術(shù)領(lǐng)域。

     6月17日,神舟十二號載人飛船發(fā)射圓滿(mǎn)成功。這是中國載人航天史上由中國人書(shū)寫(xiě)的又一壯舉。而與三位宇航員一起奔赴太空的,還有這樣一種材料——耐輻照石英玻璃,“嫦娥”“北斗”“神舟”都用到了它!


    此次耐輻照石英玻璃由中國建材集團所屬中國建材總院石英院制造。作為我國建材與無(wú)機非金屬領(lǐng)域研發(fā)實(shí)力極為雄厚的企業(yè),中國建材集團多項新材料早已多次助力中國航天事業(yè)。


    中國建材總院為嫦娥五號配套的耐輻照濾紫外石英玻璃、高純耐輻照石英玻璃及以該技術(shù)開(kāi)發(fā)的光掩膜石英玻璃登場(chǎng)展示

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    光掩膜石英玻璃(左)、耐輻照濾紫外石英玻璃(右上)、高純石英玻璃(右下)

    來(lái)源:中國建材集團


    石英玻璃到底為何牛,被新材料領(lǐng)域專(zhuān)家譽(yù)為“玻璃之王”?


    石英玻璃的應用


    石英玻璃是由二氧化硅單一組分所構成的工業(yè)用技術(shù)玻璃,擁有一系列特殊的物理和化學(xué)性能。它具有優(yōu)良的耐高溫性能,熱膨脹系數極?。?.5×10-7/℃),僅為陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20;良好的熱穩定性與熱傳導能力,以及具有高的介電場(chǎng)強度,很低的介電損失和導電性,可廣泛適用于高壓絕緣子材料;同時(shí),它在整個(gè)光譜內具有良好的透過(guò)率(T157-4000nm≥80%),尤其在紫外和深紫外光譜范圍內的透過(guò)性能是一般光學(xué)玻璃所不具備的。由于其優(yōu)異的理化性能,因而被應用于光學(xué)、光通訊、航空航天、半導體集成電路等高技術(shù)領(lǐng)域。


    ·航空航天行業(yè)中的應用


    耐輻照石英玻璃與高純石英玻璃具有特定的光學(xué)特性、耐宇宙射線(xiàn)輻照、抗熱沖擊等性能,成為航天飛行器姿控系統不可替代的光學(xué)元件。耐輻照石英玻璃具有耐宇宙射線(xiàn)截紫外的功能,特別適用于高軌衛星的太陽(yáng)敏感器光學(xué)窗口,具有在軌服役時(shí)間長(cháng)、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)。


    ·電光源行業(yè)中的應用


    常見(jiàn)的低強度的節能燈、殺菌燈以及高強度的萊燈、鈉燈、金屬鹵化物燈、紅外線(xiàn)燈、紫外線(xiàn)殺菌燈都是石英玻璃電光源產(chǎn)品,殺菌燈被廣泛應用于飲食行業(yè)和醫療衛生行業(yè)。


    ·光纖行業(yè)中的應用


    石英玻璃沉積管是光導纖維的結構材料,占光纖組分的90%以上,它的質(zhì)量直接影響光纖傳輸性能和強度。


    ·電子信息、半導體行業(yè)中的應用


    在對單晶硅片進(jìn)行摻雜、擴散、氧化、退火等關(guān)鍵工序中使用的熔融石英擴散管;硅片外延工序使用的石英鐘罩;硅片酸洗和超聲波清洗工序使用的支架;控制單晶硅工序中使用的石英坩堝等。


    ·其他行業(yè)中的應用


    超聲信號在熔融石英中的傳播速度比金屬小,延遲溫度系數低,可作為超聲延遲玻璃應用在雷達上。超聲波經(jīng)大型多邊形熔融石英多次反射可以延遲1微秒以上,通過(guò)被反射的雷達信號測定移動(dòng)目標的方位,具有實(shí)際應用價(jià)值。


    在化工行業(yè)中,由于熔融石英具有耐酸、耐高溫、化學(xué)純度高等特性,是一些化工生產(chǎn)設備的理想材料。實(shí)驗室精餾水制取也一般采用石英玻璃精餾塔。


    石英玻璃化學(xué)穩定性好、熱膨脹系數低,可用來(lái)制造精密儀器,如干涉儀、波長(cháng)表、陀螺儀、重力儀等高精儀器。


    石英玻璃的制備


    石英玻璃的制備原料包括石英砂、硅化物。其中硅化物是指SiCl4、Si4O4(CH38等化合物,通過(guò)提純后純度可達99.999%以上。不同的原料,采用的制備工藝有所不同。石英砂原料主要采用電熔、氣煉、等離子工藝進(jìn)行制備。選用硅化物原料時(shí),一般采用合成工藝制備石英玻璃,主要有化學(xué)氣相沉積工藝CVD、等離子化學(xué)氣相沉積POD工藝兩類(lèi)。而不同原料、工藝下制備的產(chǎn)品性能也有所不同。

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    來(lái)源:陳婭麗等.光掩膜版用低羥基高純石英玻璃的研究


    通過(guò)上圖可知,等離子合成法工藝所制備的產(chǎn)品性能優(yōu)于化學(xué)氣相沉積合成工藝,其次是以石英砂為主的等離子工藝,最后是電熔法以及氣煉法。而另一方面,理想的石英玻璃是由硅氧鍵組成的短程有序、長(cháng)程無(wú)序的非晶態(tài)固體,但是受制備條件和工藝的影響,石英玻璃中總會(huì )不可避免地存在金屬雜質(zhì)含量多、羥基含量高或尺寸小等缺點(diǎn)。


    石英玻璃制備的研究進(jìn)展


    為了制備大尺寸、滿(mǎn)足光學(xué)設計要求的石英玻璃,中國建筑材料科學(xué)研究總院所屬石英院的研發(fā)團隊通過(guò)槽沉工藝對石英玻璃進(jìn)行處理,使石英玻璃“變形”——尺寸放大,外形改變,內質(zhì)均化,性能提升。


    兩步法工藝:以硅化物為原料,將粉末沉積與燒結獨立制備,通過(guò)優(yōu)化控制燒結過(guò)程中的化學(xué)脫羥工藝,可有效降低羥基含量;通過(guò)優(yōu)化工藝,檢測結果表明,兩步法氣相沉積工藝制備的石英玻璃具有更低的羥基含量≤1×10-6,以及良好的透過(guò)率85%以上,完全滿(mǎn)足高端光電技術(shù)領(lǐng)域的應用需求。


    楊金鑫等公開(kāi)一種高純度低羥基高均勻性石英玻璃的化學(xué)沉積方法,包括:


    (1)在沉積腔體內,采用氣相軸向沉積法將硅源沉積得到低密度SiO2松散體;在沉積過(guò)程中,控制沉積腔體內為負壓環(huán)境,溫度不高于500℃;

    (2)在充滿(mǎn)脫羥氣流和氧氣的密閉環(huán)境中,將低密度SiO2松散體加熱到1100~1300℃,使所述低密度SiO2松散體脫水、脫羥及致密化;接著(zhù),將低密度SiO2松散體置于惰性氣體環(huán)境中,加熱至1470~1600℃,使其玻璃化以形成透明石英玻璃;

    (3)對透明石英玻璃進(jìn)行退火處理,得到高純度低羥基高均勻性石英玻璃。本發(fā)明還公開(kāi)了采用所述化學(xué)沉積工藝的裝置。


    本發(fā)明的高純度低羥基高均勻性石英玻璃的化學(xué)沉積方法,生產(chǎn)過(guò)程連續性高,且生產(chǎn)的石英玻璃中金屬雜質(zhì)含量極低。


    中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所公開(kāi)“一種基于化學(xué)活化的石英玻璃低溫直接鍵合方法”。在非潔凈室環(huán)境下進(jìn)行,無(wú)需真空條件,僅利用化學(xué)試劑超聲活化表面和低溫條件實(shí)現石英玻璃的鍵合,大大節約了實(shí)驗成本,方便快捷。


    一種基于化學(xué)活化的石英玻璃低溫直接鍵合方法

     

    來(lái)源:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,國家知識產(chǎn)權局


    小結


    石英玻璃是由二氧化硅單一組分構成的特種工業(yè)技術(shù)玻璃,具有一系列特殊的物理和化學(xué)性能,被新材料領(lǐng)域專(zhuān)家譽(yù)為“玻璃之王”。經(jīng)過(guò)多年的努力,我國石英玻璃行業(yè)目前已具有一定規模,具備各種類(lèi)型石英玻璃的制備和生產(chǎn)能力。隨著(zhù)航空航天、光通訊、半導體、光伏、電光源等高端領(lǐng)域的發(fā)展,石英玻璃市場(chǎng)需求得到不斷增長(cháng)。尤其是高性能特種石英玻璃,應用寬泛、需求高,是我國石英玻璃制造業(yè)應加強研究、突破的重點(diǎn)。


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