高矽氧玻璃

高矽氧玻璃是含二氧化矽（SiO2）高達96%以上的玻璃又稱96玻璃。1934年美國康寧公司研究人員在研究硼矽玻璃分相時發明了高矽氧玻璃，並於1939年以Vycor的商品名稱出售。由鈉硼矽酸鹽玻璃經分相、酸處理、乾燥和燒結製得。性能和組成接近石英玻璃。具有耐高溫、化學穩定性好、熱膨脹係數低、透紫外線等優點。

基本介紹

• 中文名：高矽氧玻璃
• 外文名：high-silica glass
• 發明人：美國康寧公司研究人員

製造原理

高矽氧玻璃是利用圖1 SiO₂-B₂O₃-Na₂O玻璃組成的B區易於分相的特點來製造的。

圖1

首先選取B區域中適當組成，按一般玻璃生產方法制出半成品。而後將其在600℃左右熱處理幾個小時，使其分相。分相後這種玻璃就分離為高Na₂O-B₂O₃相和高SiO₂相。兩相分離後每一相的富集區都很小，僅有幾埃至幾十埃。玻璃分相後經退火處理，而後用酸溶液與Na₂O-B₂O₃相反應。反應產生的生成物用弱鹼和清水洗去。此時製品就成為高SiO₂相的多孔質玻璃了。此後再經1200℃左右的燒結，即可製成高矽氧玻璃製品。

製造工藝

基礎玻璃成分的選擇

基礎玻璃成分對玻璃分相有重要意義。選擇成分時主要應考慮如下四點。

（1）要在較低的溫度、較短的時間內完全分相。

（2）要在分相後能生成二氧化矽相的連續骨架結構，而不能生成弧島形球狀結構。這是由於弧島形球

狀結構中Na₂O-B₂O₃相被SiO₂相所包圍，用酸液很難將其浸出。

(3)分相後各項的富集區不能過大，一般應在20埃-60埃左右。過大則燒結困難，過小則Na₂O-B₂O₃相不易被酸液浸出。

(4)B₂O₃和Na₂O的含量應較低，否則燒結時收縮過大易於損壞。

熔化及成形中的問題

這種基礎玻璃在熔化時，會遇到硼矽酸鹽玻璃常見的B₂O₃揮發問題。為製成與要求成分相同的玻璃，必須根據試驗測出揮發量，在配料時增加B₂O₃的量。但在工作池中B₂O₃的揮發會造成製品中出現條紋，從而使其分相不均勻，因此要採取措施除去玻璃液表面因B₂O₃揮發而造成的變質層，並控制氣氛。即使這樣，在制品成形過程中，製品表面的B₂O₃揮發也會使其表面層含SiO₂量較高，因而使浸酸困難。此時應將製品用氫氟酸處理，以除去表面的高SiO₂層，這就可以大大加快浸酸速度。

熱處理和酸處理

熱處理溫度在玻璃的轉化點和軟化點之間，一般為500-700℃。溫度過低分相緩慢，溫度過高製品會析晶或變形。熱處理時考慮到以後酸處理時破損少，對不同壁厚的產品要採用不同的處理方法。厚度較大的產品要用高溫快速熱處理，厚度較小的產品應採用低溫慢速熱處理。

酸處理時酸的最大濃度為3NHCl和5NH₂SO₄。酸處理的時間與製品厚度、溫度、酸濃度都有關係，一般認為控制在一天浸出一毫米厚度內的Na₂O-B₂O₃相比較好。

酸處理時，由於已處理部分和內部尚未被處理部分之間會產生應力，因而造成產品破損。所以要從調節基礎玻璃組成、改變製品形狀及厚度、調整熱處理和酸處理工藝等方面作大量的研究，以減少酸處理的破損。

為了製得純度較高的高矽氧玻璃可採用NH₄Cl中和酸液，再用清水洗淨，而後再用反覆酸洗方法處理，以使酸洗完全。為使殘留的B₂O₃儘可能少，可在燒結時通入水蒸氣。這樣製成的高矽氧玻璃SiO₂成分可達98%以上，退火溫度可提高到1130℃。

燒結

在燒結中特別應注意之點是多孔高矽氧玻璃的比表面積大(可達80-300米²/克)，因此表面會吸附大量的水，這就要求在100-200℃水分蒸發時十分注意，以防水分劇烈汽化使製品損壞。在其他溫度下可較快升溫。升到1000-1100℃保溫一段時間後，燒結就可完成。此時製成的是完全沒有氣泡的透明的高矽氧玻璃製品。但其體積比原來的基礎玻璃製品縮小20-40%，這一點在開始製作時就要考慮到，以使最終製品符合尺寸要求。

性能及用途

高矽氧玻璃的熱膨脹係數稍大於石英玻璃，為8 x 10^-7/℃。因而其抗熱衝擊性能可達800℃，經常使用溫度為900℃，短時間最高使用溫度可達1200℃。其抗化學侵蝕性、機械強度等性能也與石英玻璃相似。但其大量生產時，價格比石英玻璃低。因而可代替石英玻璃製作耐熱器皿、複雜形狀的儀器、冶煉鈾的器皿、高壓水銀燈管和溴鎢燈管。

用各種金屬鹽類處理多孔高矽氧玻璃，再行燒結，可製成各種顏色的高矽氧玻璃用作濾色片。

高矽氧玻璃燒結之前為多孔性矽氧，具有非常細小的孔，其直徑僅有20-100埃，其比表面積可達80-300米²/克。由於氣孔是連通的，氣體和液體可以滲透。其滲透速度為：水0.00065、丙酮0.0018，氧4.0、氫19.0(單位：毫升/厘米³·小時·大氣壓)。利用這種性質可用作吸濕劑、吸收劑、催化劑載體、細菌過濾器、氣體及液體分離器以及製成超導體的載體等。