石英玻璃性質與加工工藝講義《石英玻璃加工》講課提綱一、石英玻璃的基本特性1.組分單一SiO2定義：SiO2含99.5%以上的玻璃體稱為石英玻璃；不透明石英玻璃SiO2含99.5％；氣煉石英玻璃99.97％；電子級石英玻璃99.99%；高級石英玻璃99.999％以上；最高級99.9999%，Heraeus產品。石英玻璃（quartzglasss，fusedquartz）分玻璃；國際上也稱硅玻璃Silicaglass。一般的講：根據原料不同，稱法也不一樣天然石英晶體（水晶）fusedquartz天然石英礦石（硅石）fusedsilica人工合成石英晶體Syntheticquartz人工合成硅的鹵化物SiSyntheticquartz可以根據對方提供的圖紙上的材料一攔說明，認出是何種石英玻璃。2.硬度高莫氏硬度7。硬的物質一定脆、易碎，所以加工一定得當心，石英玻璃有了裂紋，就容易滲進未開裂之處，裂紋延伸、擴大。3.耐高溫性能好，是石英玻璃另一個重要基本性能能承受1300℃左右的高溫，可以在1100～1200℃條件下長期工作；抗高溫形變：石英玻璃管在1200±10℃恒溫24h；其形變率：≯4%，Φ＜120mm≯6%，Φ＞120mm∵Si－O鍵強106千卡/摩爾∴石英玻璃的耐高溫性能遠遠超過任何一種玻璃石英玻璃的耐高溫性能與其生產工藝不同而各有差異。電熔法優于氣煉法，等離子優于電熔法，氣煉法優于連熔法，其原因是OH-含量不同。表征石英玻璃性能的三個主要溫度點：退火溫度：這個溫度下，15min內，內部應力基本釋放空，對應lgη＝13°，1140～1180℃。軟化點溫度：在這個溫度下，石英玻璃將在其自重情況下變形，對應lgη＝7°，1580～1650℃。熔化溫度：石英玻璃固體狀態1713～1756℃。理論上，石英玻璃能承受1000℃以上高溫，短時間使用1450℃，GE-214型1100℃長期使用，1300℃短時間使用。為了進一步提高石英玻璃耐高溫性能，各公司竟相研制新產品；如我國Al2O3涂層管，SiC涂層管。4.熱膨脹性能熱膨脹系數極低，僅為普通玻璃的1/4。α=5.10×10-7/℃（常溫下）。5.熱穩定性好石英玻璃具有承受高溫巨變的能力。TC／T597-1995石英玻璃在1100℃恒溫15min，置于20±5℃水中急冷，不得出現裂紋、缺口。大件制品在1100℃恒溫15min，置于空氣中冷卻，不炸裂、無缺口。石英玻璃的熱穩定性還取決于玻璃的熱歷史，還和它的物理性能如線脹系數、彈性抗張強度、導熱性、熱容量有關，還有內應力、制品表面微裂紋、形狀尺寸、加熱冷卻條件等。6.粘度石英玻璃的粘度與生產工藝、所用材料、含金屬雜質、OH含量及其之不純物相關。石英玻璃粘度大：∵成型操作范圍很窄，溫度高了，揮發量大；溫度低了，粘度大，拉不動?！噙x擇適當的加工溫度很主要。7.結晶性結晶性：透明石英玻璃在特定的溫度下析出晶體造成失透。石英玻璃長期在高溫下使用，由表及里蔓延，擴大而脫落。原因：產生了α－方石英。影響析晶的因素：溫度、時間、雜質（內因加外因）透明石英玻璃析晶從1000℃開始，1200℃顯著，1525℃最大值，時間越長，析晶越嚴重，α－方石英生產量越多，石英玻璃內部的雜質離子和表面玷污是析晶的內因，雜質越多，析晶越快越多。通常，析晶總是從表面上或多或少的污染點開始，在向內部擴展，堿金屬和堿土金屬離子對析晶有極大影響，約可以降低析晶開始溫度200～300℃。發生析晶怎么辦？已經產生析晶的石英制品當冷卻到275℃以下時會在析晶層產生裂紋。這些裂紋會向沒有析晶的部分擴展、直到整個制品破碎。但若不降溫到300℃以下，這些析晶仍然是透明的。只要將析晶的石英制品總是保持在300℃以上使用，析晶層就不會產生破壞，制品就可以繼續使用先相當長的時間。析晶的應用：石英玻璃析晶析出α－方石英，有其危害的一面，但研究表明α－方石英的晶體結構有支撐作用，能增強石英玻璃抗高溫形變性能?！郃e2O3涂層利用這一點，在石英管外表面均勻涂一層高能Ae2O3，使其在高溫下人為造成一層析晶層，以提高其高溫形變性能，使其在1300℃使用。石英玻璃的其它性能，如：光譜特性、高透過率、耐性能、機械性能、化學性能、耐酸不耐堿、電學性能等不展開討論。二、石英玻璃的加工工藝石英玻璃的深加工是指將石英玻璃原料（管狀、棒狀、片狀、塊狀）加工成用戶需要的石英器件，在加工方法上分為冷加工和熱加工兩種形式：1、石英玻璃的冷加工——主要是切（割）研（磨）拋（光）三種：切割砣，金剛砂鋸片、金剛石鋸片，主要用于切割石英管、石英片。多刀切割機、線切割機，主要用于石英碇、石英塊料。激光切割機、內園切割機，主要用于切割導行板材。研磨平面磨盤、單軸、雙軸拋光機，分粗磨：Hcp在10～20μm光潔度▽2。平面銑床、多功能銑床，細磨：Hcp在6.3μm光潔度▽6。鉆床、車床、內園、外園磨床，粗磨：Hcp在6μm以下▽7。拋光多軸拋光機Hcp＜λ，即0.5μm以下。解釋：①粗磨的目的是成型，使加工件具有一定的幾何形狀。用散粒磨料或結合磨料加工石英玻璃表面后，其表面不平度Hcp10～20μm，▽2。粗磨有的用散粒磨料在磨盤上手工磨，或用結合磨料機械磨。散料磨料有綠SiC色（金剛砂）和電熔白剛玉等幾種；用60?！?2＃電熔剛玉砂可達到▽2。結合磨料有SiC樹脂，金剛石磨輪。粗磨最好在平面磨床或銑床上用結合磨料進行。②細磨：目的是改善表面的粗糙度，使被加工件獲得接近完工的幾何形狀，為拋光打下基礎，用散粒磨料研磨表面，不平度Hcp＜6.3μm；尺寸精度0.5～1.0mm。細磨也有二種：手工散粒磨料+平面磨盤，一般選用較小磨盤，線速度12m／s以上，加工件在磨盤上是橢圓形運動，正常自轉180°機械磨，上盤，加工件固定以圓形鑄鐵平面上。單軸拋光機，雙軸拋光機（H015型）軸拋光機。③精磨：目的是進一步改善玻璃表面智質量，盡量減少拋光必須完全除去的破換層厚度，并對幾何尺寸進一步修正。Hcp＜6μ、▽7左右。精磨的主要指標是光潔度，檢查方法是在反射光下用肉眼觀察。精磨磨料為20120～14μm。應盡量避免擦傷。④拋光Hcp＜λ；即＜0.5μm。拋光的目的是使玻璃光石的微觀起伏小于光波波長。精磨石的玻璃即可進行拋光；使玻璃對光線有良好的透過能力。用以瀝青+松香為氣體的拋光膠；拋光車間要求恒溫。有高速和低速二種拋光設備。各種工具夾具。2、石英玻璃的熱加工工藝分燈工加工和玻璃車床加工二種。①燈工加工設備：各種石英燈具，分內混式和外混式二種（H2和O2混合）高純石墨摸具，金屬托架附石墨轉輪。②玻璃車床加工附各種燈具，工夾具。玻璃加工車床、二次成型車床；德國Arnold和英國Heathway公司的設備為好，我國重慶一家企業的設備也不錯。③高溫退火爐和精密退火爐，酸洗槽。石英玻璃熱加工是用H2和O2火焰（有時還加入乙）將經過冷加工的石英管、棒、片加工成用戶需要的石英爐管（擴散管、氧氣管、鐘罩）石英舟及其他石英制品，如均流板廢液瓶、保溫筒、源瓶等。燈工加工精度GB/T1804—2000；c級冷加工加工精度GB/T1804—2000；m級附：石英玻璃加工企業主要生產設備一、冷加工：主要是切割、研磨、拋光；簡稱切磨拋1.切割外園切割機有三種：①砣—用磨料切割，俗稱泥切割②金剛砂鋸片—樹脂鋸片；水冷卻③金剛石鋸片—金屬薄片上鑲嵌青銅和金剛石；水冷卻還有多刀切割機、線切割機、內園切割機。激光切割機、開槽機（加工石英專用設備）銑床能加工不規則形狀的石英塊，如加工石英舟的舟架。鉆孔：小孔用超聲打孔機，更多用套孔模具套孔，如605引進的鉆孔設備。2.研磨：分粗磨細磨精磨三個等級①平面磨盤：最常用元研磨設備，一塊大圓形鑄鐵大圓盤，用研磨手工研磨，使用加工件基本符合尺寸，一般在0.1～0.3mm以內。②外圓磨床：用磨頭加工，還有內圓磨床，衍磨機，如605引進設備。③平面磨床：加工平面，精度高。單軸。雙軸研磨機，一般用于粗磨和細磨；用微粒磨料：粗磨：平面不平度Hcp10μm。細磨：平面不平度Hcp＜6.3μm。精磨：平面光潔度▽7左右。3.拋光：分一般拋光和光學拋光二個等級用單軸、雙軸、4軸拋光機，幾種散粒磨料或拋光粉。光學拋光主要用于有光學要求的產品或有檢驗要求的石英材料，一般要加工到1～2個光圈。二、熱加工（燈工加工和玻璃車床加工）1