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石英玻璃的制备方法及其特性? 1

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石英玻璃是一种具有高机械强度、优良化学稳定性和卓越光学特性的材料,在电光源、光纤、电子信息、半导体和航空航天等行业中扮演着重要角色。

石英玻璃分为透明和不透明两种,它们是工业和科研中经济有价值的材料。制造透明石英玻璃和不透明石英玻璃需要使用水晶或高纯、超高纯石英砂(透明石英玻璃)以及白色石英砂(不透明石英玻璃)作为原料。这两种原料都存在于自然界中,其成分主要是纯度很高的SiO2。

尽管石英玻璃和水晶具有相同的化学成分,但它们在结构上有很大的差异。水晶是晶体状态,而石英玻璃是玻璃态。水晶无法承受高温冲击,遇到高温会破裂并转化为其他晶体形态,而石英玻璃可以经受极高温度的冲击。制造透明石英玻璃和不透明石英玻璃需要在高温下进行,因为结晶SiO2在1713℃以上才能熔化。

如何制备高纯石英玻璃?

下面是一种制备高纯石英玻璃的方法:

(1)原料提纯:首先,将多晶硅生产尾气通过一级精馏塔进行处理,控制塔顶温度为40℃,塔顶绝对压力为3KPa,回流比为1:6,塔底温度为80℃。从塔顶采集含有富含SiCl4的混合气体,经检测发现SiCl4的含量为35%。然后,将塔顶的混合气体引入二级精馏塔进行除杂提纯处理,控制塔顶温度为40℃,塔顶绝对压力为3KPa,回流比为1:6,塔底温度为100℃。从塔顶采集气体,经检测发现SiCl4的含量为98.8%。其余的杂质气体可以统一处理或利用。

(2)化学汽相沉积制备石英玻璃锭:将经过纯化的SiCl4在汽化器内加热至50℃,使其挥发。挥发量为150ml/L。然后,通过压力为0.1MPa,流量为0.8m3/h的高纯氢气携带SiCl4,将其送入汽相沉积反应炉内的供料管中。在燃烧器的出口处与氢氧焰反应。其中,燃烧氢的压力为1.1kg/cm2,流量为25m3/h;燃烧氧的压力为6.0kg/cm2,流量为10m3/h。在160℃下生成玻璃态的SiO2,并在一定条件下将SiO2沉积在沉积靶面上,形成石英玻璃锭。沉积条件为:沉积靶距离为220mm,沉积靶转速为10r/min,沉积速率为80g/h,累计沉积时间为3天。

(3)后处理:将得到的石英玻璃锭进行退火处理,得到高纯石英玻璃。退火工艺为:在程序加热炉内以500℃/h的速率升温至1500℃,保持20min。然后以3℃/min的速率降温至950℃,关闭加热炉的电源,随炉自然冷却至室温。

参考文献

[1] [中国发明] CN201510878146.0 一种高纯石英玻璃的制备方法

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