石英玻璃

石英玻璃是由各種純淨的天然石英(如水晶、石英砂等)熔化製成。線膨脹係數極小，是普通玻璃的1/10-1/20,有很好的抗熱震性。它的耐熱性很高，經常使用溫度為1100~ 1200攝氏度，短期使用溫度可達1400攝氏度。石英玻璃主要用於實驗室設備和特殊高純產品的提煉設備。由於它具有高的光譜透射，不會因輻射線損傷(其他玻璃受輻射線照射後會發暗)，因此也是用於宇宙飛船、風洞窗和分光光度計光學系統的理想玻璃。

二氧化矽單一組分的特種工業技術玻璃。這種玻璃硬度大可達莫氏七級，具有耐高溫、膨脹係數低、耐熱震性、化學穩定性和電絕緣性能良好，並能透過紫外線和紅外線。除氫氟酸、熱磷酸外，對一般酸有較好的耐酸性。按透明度分為透明和不透明兩大類。按純度分為高純、普通和摻雜三類。用水晶，矽石，矽化物為原料，經高溫熔化或化學氣相沉積而成。熔制方法有電熔法、氣煉法等。

基本介紹

• 中文名：石英玻璃
• 外文名：quartz glass；silica glass等
• 類別：無機化合物
• 化學式：SiO2
• 分子量：60.084
• 顏色：分為透明和不透明兩大類
• 透明度：透明度分為透明和不透明兩大類
• 套用：製作半導體，電光源器等
• 分布：廣泛存在於自然界

基本概述

簡介

石英玻璃是二氧化矽單一成分的非晶態材料，其微觀結構是一種由二氧化矽四面結構體結構單元組成的單純網路，由於Si-O化學鍵能很大，結構很緊密，所以石英玻璃具有獨特的性能，尤其透明石英玻璃的光學性能非常優異，在紫外到紅外輻射的連續波長範圍都有優良的透射比。

石英玻璃採用高純度的矽砂作為原料，製作的傳統方法是熔融-淬滅方法（加熱材料到熔化溫度，然後快速冷卻到玻璃的固態相）；製作超高純度和紫外透射比的透明玻璃需矽的汽化、氧化成二氧化矽並加熱溶解等過程。

形成用途

石英玻璃的形成是由於其熔體高溫黏度很高引起的結果。用於製作半導體、電光源器、半導通信裝置、雷射器，光學儀器，實驗室儀器、電學設備、醫療設備和耐高溫耐腐蝕的化學儀器、化工、電子、冶金、建材以及國防等工業，套用十分廣泛。

高純石英玻璃可制光導纖維。

隨著半導體技術的發展，石英玻璃被廣泛的用於半導體生產的各項工序中。比如，直拉法把多晶轉化成單晶矽；清洗時用的清洗槽；擴散時用的擴散管、刻槽舟；離子注入時用的鐘罩等等。

定義

石英玻璃是一種只含二氧化矽單一成份的特種玻璃。由於種類、工藝、原料的不同，國外常常叫做矽酸玻璃、石英玻璃、熔融石英、熔凝石英、合成熔融石英，以及沒有明確概念的透明、半透明、不透明石英等。我國統稱石英玻璃，多按工藝方法、用途及外觀來分類，如電熔透明石英玻璃、連熔石英玻璃、氣煉透明石英玻璃、合成石英玻璃、不透明石英玻璃、光學石英玻璃、半導體用石英玻璃、電光源用石英玻璃等。人們習慣於用“石英”這樣一個簡單的辭彙來命名這種材料，這是絕對不妥的，因為“石英”是二氧化矽結晶態的一種通稱，它與玻璃態二氧化矽在理化性質上是有區別的。

石英玻璃

化學性質

石英玻璃具有極低的熱膨脹係數，高的耐溫性，極好的化學穩定性，優良的電絕緣性，低而穩定的超聲延遲性能，最佳的透紫外光譜性能以及透可見光及近紅外光譜性能，並有著高於普通玻璃的機械性能。因此它是近代尖端技術中空間技術、原子能工業、國防裝備、自動化系統，以及半導體、冶金、化工、電光源、通訊、輕工、建材等工業中不可缺少的優良材料之一。

石英玻璃是用天然結晶石英（水晶或純的矽石），或合成矽烷經高溫熔制而成

。熔融後的產品具有極好的加工性能，在極高的粘度範圍內，可以將管和棒進行有如普通玻璃細工一樣的熱加工，還可以用金剛石或碳化矽製成的磨具進行高速機械加工，從而製成各種複雜形狀的儀器和特種製品。石英玻璃的性能主要取決於它的純度，其次是工藝過程或熱工制度。微量雜質的存在將給石英玻璃的使用性能帶來重大的影響；同時由於工藝過程或熱工制度的稍有疏忽，將給外觀質量帶來多種多樣的缺陷，產生大量的廢次產品。

純度

概述

純度是石英玻璃的重要指標，對理化性能和使用性能影響甚大，如失透性、高溫強度、軟化點、光的傳導、熱穩定性、化學穩定性、耐輻射性、螢光特性等；此外，用於半導體工業的石英玻璃，對純度的要求更為苛刻，微量的雜質將給半導體材料的電性能和壽命以及集成度帶來嚴重的影響。由於半導體材料的純度要求控制在ppb數量級以下，因此石英玻璃則應控制在PPm數量級以適應半導體工業的需要。B的分凝係數近於1,最難除掉，是最有害的雜質之一，Cu、Fe、Ti等影響半導體的少子壽命，K、Na、Li是單晶材料產生微缺陷的有害雜質。

石英玻璃

詳細

表1 石英玻璃的化學純度 單位 ×

名稱	Al	Fe	Ca	Mg	Ti	Cu	Mn	Ni
電熔石英玻璃	32	2.0	1.5	1.5	2.08	0.2	0.27	0.2
氣鍊石英玻璃	16	0.92	1.5	0.4	1.0	0.01	0.05	<0.3
電弧石英玻璃	10.4	0.3	0.6	0.3	1.35	0.05	<0.05	<0.3
合成高純石英玻璃	0.37	0.31	0.27	0.04	0.03	0.03	0.01	<0.03
紅外光學石英玻璃	35	1.45	2.68	1.32	1.06	0.22	0.07	<0.03
紫外光學石英玻璃	3.9	0.4	3.5	1.2	0.45	0.1	0.02	0.06
不透明石英玻璃	56	7.4	15.3	1.57	1.5	0.2	0.1	-

名稱	Pb	Sn	Cr	B	K	Na	Li	OH-
電熔石英玻璃	0.2	<0.3	<0.3	0.2	2.12	5.31	<0.3	5
氣鍊石英玻璃	<0.3	<0.3	<0.3	0.2	1.49	1.67	<0.3	400
電弧石英玻璃	<0.03	<0.03	<0.03	<0.1	0.7	1.0	1.0	27
合成高純石英玻璃	<0.03	<0.03	<0.03	0.3	2.2	3	<0.3	5
紅外光學石英玻璃	<0.03	<0.03	<0.03	0.3	2.2	3	<0.3	5
紫外光學石英玻璃	0.04	0.02	0.03	0.1	0.5	1.5	0.05	1200
不透明石英玻璃	-	-	-	-	-	-	-	-

失透性

失透（又叫析晶性）是石英玻璃的一個固有缺陷，從熱力學觀點看，石英玻璃的內能高於結晶態方石英，屬熱力學上不穩定的亞穩態，當溫度高於1000℃時，SiO₂ 分子振動加速，經一段較長時間的重新排列、定向便形成結晶。失透性是以晶核成長速度來表示的，不透明石英玻璃在1520℃、透明石英玻璃在1620℃析晶速度分別達到最大值。

石英玻璃

析晶主要出現在表面，其次是內部缺陷處，原因是這些地方容易沾污，引起雜質離子的局部集聚，特別是鹼離子（如K、Na、Li、Ca、Mg等）進入網路後引起粘度降低，促使失透加速。

由於石英玻璃的熱膨脹係數和比重同析晶產物β-方石英相近，所以在高溫下連續使用時，儘管析晶區不斷擴大，但體積變化並不明顯，仍可滿意地繼續使用，此時尚可減輕玻璃的塑性變形，使耐火度提高。當析晶產物冷卻到800℃時，則出現細小的龜裂網路。繼續冷卻到200-275℃時，則出現方石英從高溫型到低溫型（即β-方石英→a-方石英）的結構變化，並伴隨著發生體積聚變，如果析晶層很深，則石英玻璃亦隨之破裂。由於析晶常常出現在有雜質的地方，所以高溫使用前的表面狀態及周圍耐火材料、氣氛十分重要。有關使用石英玻璃時注意事項後面還要介紹。

化學性能

石英玻璃屬酸性材料，除氫氟酸和熱磷酸外，對其它任何酸均表現為惰性，是最好的耐酸材料。在常溫下鹼和鹽對石英玻璃的腐蝕程度也是極微的，因此不排除在這些試劑中使用石英玻璃。

透明石英玻璃比不透明石英玻璃具有更好的化學穩定性，這是因為後者由於氣泡的存在暴露在腐蝕液中的表面積增加所致。

石英玻璃不吸濕，不風化。石英玻璃對所有鹼和鹼土化合物都非常敏感，這些化合物極輕微的痕量也會促使石英玻璃在高溫下產生析晶。

表2 各種溶液侵蝕石英玻璃的重量損耗

溶液名稱	濃度（比重）	溫度/℃	浸蝕時間 小時	重量損耗 g/m2; 透明石英玻璃	重量損耗 g/m2; 不透明石英玻璃
鹽酸	1.19	60	24	0.034	0.16
硝酸	1.40	115	24	0.11	0.15
硫酸	1.84	205	24	0.06	0.13
氫氟酸	38%	室溫 22	2	259.39	379.80
NaOH	1%	101	2	0.80	5.15
KOH	1%	98	2	0.68	4.63
氨水	25%	65	2	0.09	0.33
NaCl	10%	102	2	0.14	0.34
Na2CO3	10%	102	2	1.20	4.99

透氣性

石英玻璃的結構十分鬆弛，甚至在高溫下還允許某些氣體的離子通過網路進行擴散，其中以鈉離子的擴散為最快。石英玻璃的這一性能對於使用者尤為重要，例如，半導體工業用石英玻璃作為高溫容器或擴散管時，由於半導體材料要求很高的純度，所以要求與石英玻璃接觸的作為爐襯的耐火材料必須預先經過高溫和清潔處理，除掉鉀、鈉等鹼性雜質，然後才能放入石英玻璃內使用。各種離子在石英玻璃中的擴散係數見表3

表3 各種離子在石英玻璃中的擴散係數

透明石英玻璃 合成石英玻璃

Na+ 2×10-4 5×10-5

Ca2+ 2×10-8

Al3+ <10-12 <10-12

Ag+ 10-5 10-7

註：

1.在1100℃下的擴散係數

2.單位：厘米2/秒

在常溫下，可以認為石英玻璃是不透氣的，在高溫（例如700℃）下，某些氣體的透氣常數也很小。因此可以用在高溫高真空裝備中。石英玻璃的透氣常數及用石英玻璃作容器連續抽真空所的最高真空度見表4、表5.

表4 石英玻璃容器連續抽真空所獲得的最高真空度（實驗條件）

種類 真空度（毫米汞柱）及溫度（℃）

20 900

透明石英玻璃 3.7×10-6 7.0×10-6

不透明石英玻璃 1×10-5 7.4×10-6

表5 石英玻璃的透氣常數K

氣體 透氣常數K

200℃ 400℃ 600℃ 700℃ 800℃ 900℃ 1000℃

氦 1.39 6.15 16.4 21.9 28.5 36.2 45.4

氫 0.022 0.37 1.43 2.52 4.25 6.40 10.00

氘（重氫） 17

氖 2.8 4.2

氬 <10-15

氧 <10-15

氮 <10-15

單位：×10-10厘米3.毫米/秒.厘米2乇（在標準壓力下）

電學性能

表6 石英玻璃的電性能

性能名稱 電性能指標及種類

透明石英玻璃 不透明石英玻璃

耐擊穿電壓（仟伏/毫米） 室溫 >30 >16

500℃ 11 7.6

介電常數（106赫） ε=3.7

ε=3.5

介電損耗tgδ(50周/秒) 0.0003 0.001

電阻（歐姆.厘米） 20℃ 1×1019 1×1015

500℃ 3×108 1×107

1000℃ 1×106 3×104

石英玻璃具有很高的介電強度和極低的導電率，即是在高溫、高壓和高頻下，仍能保持很高的介電強度和電阻，在所套用的頻帶內幾乎沒有介電損耗，因此石英玻璃是優良的高溫介電絕緣材料。

光學性能

石英玻璃的光學性能有其獨到之處，它既可以透過遠紫外光譜，是所有透紫外材料最優者，又可透過可見光和近紅外光譜。用戶可以根據需要，從185-3500mμ波段範圍內任意選擇所需品種。由於石英玻璃耐高溫，熱膨脹係數極小，化學熱穩定性好，氣泡、條紋、均勻性、雙折射又可與一般光學玻璃媲美，所以它是在各種惡劣場合下工作具有高穩定度光學系統的必不可少的光學材料。

石英玻璃的結構，雜質含量，OH基因及NO、CO等含量是影響光譜透過率的主要因素，氧原子結合不良在0.24μ處則有吸收峰，含有OH基團的石英玻璃，在2.7μ處由於分子振動將產生明顯的吸收峰，紫外透過率低主要是由於金屬雜質多造成原子吸收光譜所致。

石英玻璃的光譜特性曲線

電熔石英玻璃是很好的透紅外材料，但由於雜質的存在，紫外透過率低。氫氧焰熔制水晶所獲得的石英玻璃，由於氧結構缺陷，在0.24μ處有吸收峰，同時含有OH基團，所以紅外透過極低。用合成原料氣煉的高純光學石英玻璃是最好的透紫外材料，但在2.7μ處有嚴重的OH吸收峰。只有用合成原料通過電熔或無氫火焰熔融而成的光學石英玻璃，才能很好地透過從遠紫外到近紅外的連續光譜。

石英玻璃的折射率及光學常數見表7、表8.

表7 光學石英玻璃的折射率（之一）

波長（毫微米） 水晶熔制石英玻璃 合成石英玻璃

185.41 1.57464 -

193.53 1.56071 -

202.54 1.54729 1.54717

206.20 1.54269 1.54266

213.85 - 1.53434

214.45 1.53385 -

226.50 1.52318 1.52299

232.94 1.51834 -

237.83 - 1.51473

248.20 - 1.50841

250.20 1.50762 -

257.62 1.50397 1.50351

265.36 - 1.49994

274.87 1.49634 -

280.35 - 1.49403

289.36 - 1.49098

298.06 1.48859 1.48837

307.59 - 1.48575

313.17 - 1.48433

328.36 1.48183 -

334.15 - 1.47976

340.36 1.47877 1.47860

346.69 1.47766 1.47748

361.17 1.47513 1.47503

365.48 - 1.47448

398.84 1.47028 -

404.65 - 1.46961

435.83 1.46679 1.46669

486.13 1.46324 1.46314

546.07 1.46021 1.46007

587.56 1.45857 1.45847

656.27 1.45646 1.45637

註：測量誤差：±3×10-5

表7 光學石英玻璃的折射率（之二）

波長λ(微米) 折射率 波長λ(微米) 折射率

0.67 1.456066 1.30 1.446980

0.68 1.455818 1.40 1.445845

0.69 1.455579 1.50 1.444687

0.70 1.455347 1.60 1.443492

0.80 1.453371 1.70 1.442250

0.90 1.451808 1.80 1.440954

1.00 1.450473 1.90 1.439957

1.10 1.440261 2.00 1.438174

1.20 1.448110 2.10 1.436680

2.20 1.435111 2.90 1.421684

2.30 1.433462 3.00 1.41937

2.40 1.431730 3.10 1.41694

2.50 1.429911 3.20 1.41440

2.60 1.428001 3.30 1.41173

2.70 1.425995 3.40 1.40893

2.80 1.423891 3.50 1.40601

表8 石英玻璃的光學常數

項目 指標及品種

水晶熔制石英玻璃 合成石英玻璃

Nd(He587.56mμ) 1.45857 1.4587

Nf(H486.13mμ) 1.46324 1.46314

Nc(H656.27mμ) 1.45646 1.45637

色散係數 V=(Nd-1)/(Nf-Nc) 67.6 67.7

中部色散: Nf-Nc 0.00678 0.00677

熱學性能

基本資料

石英玻璃的熱膨脹係數小，為5.5×10-7/℃，只有普通玻璃的1/12～1/20.部標準規定將試樣灼燒到1200℃後急速投到冷水中，反覆三次以上不允許炸裂。石英玻璃加入適量鈦元素後還可做成零膨脹係數的材料，在雷射技術、天文和尖端技術中已得到套用。

詳細信息

透明石英玻璃的膨脹係數是溫度的函式：

α0,t=1/L0 ×(Lt-L0)/t

式中：L0=溫度0℃時的長度 Lt=溫度t℃時的長度 t=攝氏溫度

石英玻璃的粘度，導熱率、比熱及使用溫度等見表9,10,11,12,13.

表9 石英玻璃的粘度（應變點、退火點、軟化點）與溫度的關係

粘度(lgη,泊) 水晶石英玻璃 合成石英玻璃

應變點 14.5 1075℃±25 1025℃±25

退火點 13.0 1140℃±25 1120℃±25

軟化點 7.6 1730℃±40 1600℃±40

加工範圍 5～8 1700～2100℃ 1600～2000℃

表10 石英玻璃的導熱係數

溫度(℃) 導熱係數卡/厘米.秒.℃

透明石英玻璃 不透明石英玻璃

20 0.00331 0.00297

100 0.00367 0.00345

200 0.00394 0.00386

300 - -

400 0.00447 0.00453

500 - -

600 0.00484 0.00503

700 - -

800 0.00514 0.00534

1000 0.00547 0.00550

1200 0.00581 0.00569

表11 石英玻璃的比熱

溫度(℃) 比熱（卡/克.℃）

透明石英玻璃 不透明石英玻璃

-250 0.007 -

-100 0.112 -

0 0.168 -

20 0.213 0.205

100 - -

200 0.213 0.205

300 0.220 0.218

400 0.230 0.228

500 0.224 0.237

600 0.240 0.242

700 0.250 0.247

800 0.260 -

1000 0.273 -

1200 - -

表12 石英玻璃的使用溫度

使用狀況 最大連續工作溫度 最大短期工作溫度

水晶熔制石英玻璃 1100℃ 1300℃

合成石英玻璃 950℃ 1200℃

不透明石英玻璃 800℃ 1000℃

表13 石英玻璃與其它材料熱膨脹值的比較（1米長試樣的膨脹值）

材料 0～500℃（mm） 0～1000℃（mm） 熱膨脹值的比較（0～500℃，倍）

石英玻璃 0.27 0.48 1

硬質玻璃 1.8 - 6.7

平板玻璃 5.0 - 18.3

高鋁磚 4.0 7.9 14.8

碳化矽材料 2.3 4.5 8.5

銅 9.0 - 31.5

炭素鋼 7.0 14.9 25.9

機械性能

簡介

石英玻璃的機械性能比硬質玻璃和陶瓷都好，唯脆性較差。石英玻璃的理論計算強度很高，約為24×103MPa，但實際測得的強度要比這個數值低數十倍。影響強度的主要因素首先是玻璃的表面缺陷，特別是表面微裂紋的大小及深度影響最為明顯，細磨的石英玻璃試樣比粗磨的試樣，其抗折強度約增加0.6倍；其次是內在缺陷，例如，氣泡、雜質、熔化不均以及殘餘應力等。

石英玻璃的強度隨著溫度的升高而增加，接近退火溫度時達到最大值。

石英玻璃的剪下模量、楊氏模量、阻尼、泊松比、破壞模量一般均隨著溫度的升高而增加，硬度則隨著溫度的升高而降低。

詳細信息

表14 石英玻璃管的破壞壓力

透明石英玻璃管 不透明石英玻璃管

管內徑mm 壁厚mm 破壞壓力 千克/厘米2 管內徑mm 壁厚mm 破壞壓力 千克/厘米2

4 0.5 83 15 2.5 15

5 1.0 150 57 9.0 10

7 2.0 220 80 11.0 13

8 1.0 100 200 13.0 7

9 2.0 190 370 14.0 3

10 1.0 70

表15 石英玻璃的物理機械性能

性能 單位 機械性能

名稱 透明石英玻璃 不透明石英玻璃

密度 克/厘米 3 2.21 2.06-2.184

硬度 莫氏 5-7 5-6

抗壓強度 Mpa 800-1000 413.4-813.0

抗折強度 Mpa 60-70 40-60

抗拉強度 Mpa 49 35

抗衝擊強度公斤.厘米/厘米2 1.08 0.85

彈性模量

（楊氏模量）

20℃ Gpa 77.8 72.5

50℃ Gpa 82.0 76.0

900℃ Gpa 85.0 78.3

泊桑比:20℃ 0.17

剛性率:

20℃ Gpa 34.1 31.0

500℃ Gpa 35.8 34.3

900℃ Gpa 36.9 35.3

縱波聲速 米/秒 5.72×103

超聲速度:

縱 米/秒 5.95×103

橫 米/秒 3.76×103

超聲阻尼:

縱 克/厘米2.秒 10.09

橫 克/厘米2.秒 8.27

脫羥時間

石英玻璃脫羥時間取決於石英玻璃的製備工藝及規格尺寸、所採用的脫羥氣氛及溫度。

在正常熔制情況即氧化或中性氣氛下如以SiCl4為原料

氫氧焰為熱源高溫水解氣相沉積合成的石英玻璃和以水晶為原料、氫氧焰為熱源煉熔制的石英玻璃中大部分羥基呈穩定狀態，製品的規格尺寸大的話，即使脫羥基時間再長也很難將其中的羥基全部脫出。通常0.5~1.0mm厚合成和氣鍊石英玻璃片在真空或乾燥的N2、1050℃的脫羥條件下，經過140h以上方可脫出50%左右的羥基，時間再長几乎不再脫出。

而在富氫的還原性氣氛下熔制的石英玻璃如以H2為保護性氣體的連熔爐熔制的石英玻璃，由於氧缺陷的存在，石英玻璃中的羥基亞穩狀態，很容易擴散放出H2，如1~1.5mm厚的煉熔石英玻璃管在真空或流動的乾燥N2、1050℃的脫羥條件下，經過2h即可脫出90%以上的羥基。

同樣，若在富氫的還原性氣氛下合成或氣煉的石英玻璃，相同脫羥條件，也可大幅度增加脫羥量。

檢驗方法

中文名稱：石英玻璃製品內應力檢驗方法

批准單位：國家建築材料工業局

批准日期：1996-12-31

實施日期：1997-06-01實施

標準號：JC/T 655-2012

使用須知

1.石英玻璃製品是貴重的材料，使用時必須輕拿輕放，十分小心；

2.各種石英玻璃都有一個最高使用溫度，使用時不應超過此溫度，否則會析晶或軟化變形；

3.需高溫使用的石英玻璃，使用前必須擦拭乾淨。可以用10%的氫氟酸或洗液浸泡，然後用高純水清洗或酒精處理。操作時應戴細線手套，不允許用手直接觸及石英玻璃；

4.高溫下允許連續使用石英玻璃製品，這對延長石英玻璃的壽命和提高耐溫性能是有好處的。反之，高溫下間歇使用石英玻璃製品，其使用次數是有限的；

5.石英玻璃材質雖具有極高的熱穩定性，可以經受劇烈的溫差驟變。但實際使用時，由於殘餘應變和產品形狀不同，熱穩定性有一定的差別，使用時應加以注意；

6.石英玻璃系酸性材料，高溫使用時嚴格避免同鹼性物質（如水玻璃、石棉、鉀鈉的化合物等）接觸，否則將大大降低其抗結晶性能。