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

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（CH₃）₈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。

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)。