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石英砂能否用于高品质石英玻璃,这些因素说了算!
类别:技术交流   日期:2019-2-20  来源:粉体技术网  点击率:3588  打印 关闭

 

透明石英玻璃的主要质量指标是纯度和气泡,这要求石英砂具有极低的杂质和气体含量。由于石英矿物学特征及石英玻璃制备工艺的复杂、多样性,目前仍没有统一的石英玻璃用石英砂质量标准。

 

石英原料的提纯和熔制实践经验表明:影响石英玻璃质量的原料特征主要是「石英杂质元素的种类与含量、气体含量、粒度分布」。

 

石英杂质元素种类与含量

 

由于工艺技术和原矿特征等因素,石英砂不可避免存有残余杂质,主要包括Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B、Ge等。

 

石英玻璃用石英砂的杂质元素要求
石英玻璃用石英砂的杂质元素要求

 

(1)铝元素杂质

 

铝是石英砂的主要杂质元素,在晶格中替代Si4+的Al3+,一般很难除掉。少量铝不会影响石英玻璃的外观质量,但Al3+替代Si4+后,会引入平衡电荷离子(Na+、Li+等),另外在x或γ射线辐照下,Al3+、Ge3+会产生色心,危害石英玻璃耐辐照性能。

 

(2)碱金属杂质

 

在高温下(>1000℃),碱金属杂质会诱导石英玻璃析出SiO2晶体,对石英制品的热稳定性具有较大的影响。

 

同时,碱金属杂质会降低石英玻璃的熔点及软化点,严重恶化其使用性能。电子工业中使用的石英玻璃器件,如石英坩埚、扩散炉管、石英电偶管、支架等,要求高纯及耐高温,非金属杂质也会扩散进入电子元器件中,故应尽量降低石英玻璃中的碱金属杂质含量。

 

连熔透明石英玻璃管的原料要求
连熔透明石英玻璃管的原料要求

 

(3)过渡金属杂质

 

过渡金属(Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Zn等)含量对高纯石英玻璃影响也特别严重,如果微量金属溶解或溶入硅熔体,会破坏其导电性;且多数过渡金属会吸取紫外、可见和远红外光,破坏石英玻璃的光学性能,对于光纤来说,杂质引起的微观不均匀,会增加光纤损耗,甚至导致信号失真。

 

(4)硼元素杂质

 

对某些石英玻璃的应用,如CZ坩埚,要求比较低的一致性好的硼含量。硼含量与矿床地质有直接关系,这是由于硼离子进入硅酸盐骨架结构,产生较强的化学键,而不是孤立地含在含硼矿物中。

 

气体含量

 

石英矿中的流体包裹体,在熔制过程中将成为玻璃熔体中的气体。SiO2熔体的粘度高,包裹气体不易排除,反而长大成气泡,在拉管或棒时产生气线,影响石英玻璃的质量。升高熔制温度,虽可降低熔体粘度,利于排除气体,但SiO2挥发量增加,得料率则会降低和能耗升高。

 

原料的加工工艺及石英玻璃的熔制工艺,如电阻炉化料、连熔炉拉管等,都有排气过程。有些气液包裹体会在石英原料熔化前破裂,并排出气体;另有些包含气体(如小分子气体He和H2)虽不会立即排出,但在800~1400℃高温固体或熔体中的扩散系数大,能渗透排出。此外,延长排气时间,可排除水、氧、氮、HCl、SO2、H2S等扩散系数小的气体。CO、CO2、CxHy等气体极难从固体或熔体中排出,它们的含量影响石英玻璃的透明度。

 

粒度分布

 

石英砂的粒度分布影响石英玻璃的气泡数量和熔制工艺参数。由于表面活化能的差别,小颗粒比大颗粒先熔化,已熔化的石英将覆盖于未熔的石英颗粒表面,致使气泡无法排除。小颗粒间隙所包含的气体量多,增加排气的难度。小颗粒还容易挥发,浪费原料;粗颗粒石英则难于彻底熔化,形成玻璃中的颗粒结构。实际使用的原料粒度取决于熔制工艺。

 

石英玻璃熔制工艺所用石英砂粒度
石英玻璃熔制工艺所用石英砂粒度

 

外观形状则以近似球形为最佳,针状原料造成加料不畅,形成架棚现象,导致熔制过程形成气泡。石英的颗粒形状主要是由加工技术决定,我国现有原料加工技术,易形成针状的原料,其长宽比在1:4-1:7之间。国外所用原料,一般为粒状、近似球形。

 

由于成因及矿物特征的多样性,各石英生产企业在选择石英玻璃原料时,要考察石英矿的包裹体特征,选用包裹体数量少或易爆破的石英原料,并根据石英矿中有害杂质元素的赋存状态,确定石英粉料的加工工艺。

 



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