石英玻璃性质与加工工艺讲义

石英玻璃性质与加工工艺讲义《石英玻璃加工》讲课提纲一、石英玻璃的基本特性1.组分单一SiO2定义：SiO2含99.5%以上的玻璃体称为石英玻璃；不透明石英玻璃SiO2含99.5％；气炼石英玻璃99.97％；电子级石英玻璃99.99%；高级石英玻璃99.999％以上；最高级99.9999%，Heraeus产品。石英玻璃（quartzglasss，fusedquartz）分玻璃；国际上也称硅玻璃Silicaglass。一般的讲：根据原料不同，称法也不一样天然石英晶体（水晶）fusedquartz天然石英矿石（硅石）fusedsilica人工合成石英晶体Syntheticquartz人工合成硅的卤化物SiSyntheticquartz可以根据对方提供的图纸上的材料一拦说明，认出是何种石英玻璃。2.硬度高莫氏硬度7。硬的物质一定脆、易碎，所以加工一定得当心，石英玻璃有了裂纹，就容易渗进未开裂之处，裂纹延伸、扩大。3.耐高温性能好，是石英玻璃另一个重要基本性能能承受1300℃左右的高温，可以在1100～1200℃条件下长期工作；抗高温形变：石英玻璃管在1200±10℃恒温24h；其形变率：≯4%，Φ＜120mm≯6%，Φ＞120mm∵Si－O键强106千卡/摩尔∴石英玻璃的耐高温性能远远超过任何一种玻璃石英玻璃的耐高温性能与其生产工艺不同而各有差异。电熔法优于气炼法，等离子优于电熔法，气炼法优于连熔法，其原因是OH-含量不同。表征石英玻璃性能的三个主要温度点：退火温度：这个温度下，15min内，内部应力基本释放空，对应lgη＝13°，1140～1180℃。软化点温度：在这个温度下，石英玻璃将在其自重情况下变形，对应lgη＝7°，1580～1650℃。熔化温度：石英玻璃固体状态1713～1756℃。理论上，石英玻璃能承受1000℃以上高温，短时间使用1450℃，GE-214型1100℃长期使用，1300℃短时间使用。为了进一步提高石英玻璃耐高温性能，各公司竟相研制新产品；如我国Al2O3涂层管，SiC涂层管。4.热膨胀性能热膨胀系数极低，仅为普通玻璃的1/4。α=5.10×10-7/℃（常温下）。5.热稳定性好石英玻璃具有承受高温巨变的能力。TC／T597-1995石英玻璃在1100℃恒温15min，置于20±5℃水中急冷，不得出现裂纹、缺口。大件制品在1100℃恒温15min，置于空气中冷却，不炸裂、无缺口。石英玻璃的热稳定性还取决于玻璃的热历史，还和它的物理性能如线胀系数、弹性抗张强度、导热性、热容量有关，还有内应力、制品表面微裂纹、形状尺寸、加热冷却条件等。6.粘度石英玻璃的粘度与生产工艺、所用材料、含金属杂质、OH含量及其之不纯物相关。石英玻璃粘度大：∵成型操作范围很窄，温度高了，挥发量大；温度低了，粘度大，拉不动。∴选择适当的加工温度很主要。7.结晶性结晶性：透明石英玻璃在特定的温度下析出晶体造成失透。石英玻璃长期在高温下使用，由表及里蔓延，扩大而脱落。原因：产生了α－方石英。影响析晶的因素：温度、时间、杂质（内因加外因）透明石英玻璃析晶从1000℃开始，1200℃显著，1525℃最大值，时间越长，析晶越严重，α－方石英生产量越多，石英玻璃内部的杂质离子和表面玷污是析晶的内因，杂质越多，析晶越快越多。通常，析晶总是从表面上或多或少的污染点开始，在向内部扩展，碱金属和碱土金属离子对析晶有极大影响，约可以降低析晶开始温度200～300℃。发生析晶怎么办？已经产生析晶的石英制品当冷却到275℃以下时会在析晶层产生裂纹。这些裂纹会向没有析晶的部分扩展、直到整个制品破碎。但若不降温到300℃以下，这些析晶仍然是透明的。只要将析晶的石英制品总是保持在300℃以上使用，析晶层就不会产生破坏，制品就可以继续使用先相当长的时间。析晶的应用：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－方石英的晶体结构有支撑作用，能增强石英玻璃抗高温形变性能。∴Ae2O3涂层利用这一点，在石英管外表面均匀涂一层高能Ae2O3，使其在高温下人为造成一层析晶层，以提高其高温形变性能，使其在1300℃使用。石英玻璃的其它性能，如：光谱特性、高透过率、耐性能、机械性能、化学性能、耐酸不耐碱、电学性能等不展开讨论。二、石英玻璃的加工工艺石英玻璃的深加工是指将石英玻璃原料（管状、棒状、片状、块状）加工成用户需要的石英器件，在加工方法上分为冷加工和热加工两种形式：1、石英玻璃的冷加工——主要是切（割）研（磨）抛（光）三种：切割砣，金刚砂锯片、金刚石锯片，主要用于切割石英管、石英片。多刀切割机、线切割机，主要用于石英碇、石英块料。激光切割机、内园切割机，主要用于切割导行板材。研磨平面磨盘、单轴、双轴抛光机，分粗磨：Hcp在10～20μm光洁度▽2。平面铣床、多功能铣床，细磨：Hcp在6.3μm光洁度▽6。钻床、车床、内园、外园磨床，粗磨：Hcp在6μm以下▽7。抛光多轴抛光机Hcp＜λ，即0.5μm以下。解释：①粗磨的目的是成型，使加工件具有一定的几何形状。用散粒磨料或结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盘上手工磨，或用结合磨料机械磨。散料磨料有绿SiC色（金刚砂）和电熔白刚玉等几种；用60＃～12＃电熔刚玉砂可达到▽2。结合磨料有SiC树脂，金刚石磨轮。粗磨最好在平面磨床或铣床上用结合磨料进行。②细磨：目的是改善表面的粗糙度，使被加工件获得接近完工的几何形状，为抛光打下基础，用散粒磨料研磨表面，不平度Hcp＜6.3μm；尺寸精度0.5～1.0mm。细磨也有二种：手工散粒磨料+平面磨盘，一般选用较小磨盘，线速度12m／s以上，加工件在磨盘上是椭圆形运动，正常自转180°机械磨，上盘，加工件固定以圆形铸铁平面上。单轴抛光机，双轴抛光机（H015型）轴抛光机。③精磨：目的是进一步改善玻璃表面智质量，尽量减少抛光必须完全除去的破换层厚度，并对几何尺寸进一步修正。Hcp＜6μ、▽7左右。精磨的主要指标是光洁度，检查方法是在反射光下用肉眼观察。精磨磨料为20120～14μm。应尽量避免擦伤。④抛光Hcp＜λ；即＜0.5μm。抛光的目的是使玻璃光石的微观起伏小于光波波长。精磨石的玻璃即可进行抛光；使玻璃对光线有良好的透过能力。用以沥青+松香为气体的抛光胶；抛光车间要求恒温。有高速和低速二种抛光设备。各种工具夹具。2、石英玻璃的热加工工艺分灯工加工和玻璃车床加工二种。①灯工加工设备：各种石英灯具，分内混式和外混式二种（H2和O2混合）高纯石墨摸具，金属托架附石墨转轮。②玻璃车床加工附各种灯具，工夹具。玻璃加工车床、二次成型车床；德国Arnold和英国Heathway公司的设备为好，我国重庆一家企业的设备也不错。③高温退火炉和精密退火炉，酸洗槽。石英玻璃热加工是用H2和O2火焰（有时还加入乙）将经过冷加工的石英管、棒、片加工成用户需要的石英炉管（扩散管、氧气管、钟罩）石英舟及其他石英制品，如均流板废液瓶、保温筒、源瓶等。灯工加工精度GB/T1804—2000；c级冷加工加工精度GB/T1804—2000；m级附：石英玻璃加工企业主要生产设备一、冷加工：主要是切割、研磨、抛光；简称切磨抛1.切割外园切割机有三种：①砣—用磨料切割，俗称泥切割②金刚砂锯片—树脂锯片；水冷却③金刚石锯片—金属薄片上镶嵌青铜和金刚石；水冷却还有多刀切割机、线切割机、内园切割机。激光切割机、开槽机（加工石英专用设备）铣床能加工不规则形状的石英块，如加工石英舟的舟架。钻孔：小孔用超声打孔机，更多用套孔模具套孔，如605引进的钻孔设备。2.研磨：分粗磨细磨精磨三个等级①平面磨盘：最常用元研磨设备，一块大圆形铸铁大圆盘，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以内。②外圆磨床：用磨头加工，还有内圆磨床，衍磨机，如605引进设备。③平面磨床：加工平面，精度高。单轴。双轴研磨机，一般用于粗磨和细磨；用微粒磨料：粗磨：平面不平度Hcp10μm。细磨：平面不平度Hcp＜6.3μm。精磨：平面光洁度▽7左右。3.抛光：分一般抛光和光学抛光二个等级用单轴、双轴、4轴抛光机，几种散粒磨料或抛光粉。光学抛光主要用于有光学要求的产品或有检验要求的石英材料，一般要加工到1～2个光圈。二、热加工（灯工加工和玻璃车床加工）1