中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石英玻璃是由單一的二氧化硅組成的玻璃，純度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，使其廣泛應(yīng)用在光纖通訊、半導(dǎo)體行業(yè)、新型電光源、航空航天、核技術(shù)等領(lǐng)域。目前，相關(guān)領(lǐng)域?qū)κ⒉ＡУ募兌燃百|(zhì)量要求越來(lái)越高，如何從制備工藝上提高石英玻璃純度、減少結(jié)構(gòu)缺陷成為研究重點(diǎn)。
石英玻璃缺陷——羥基
石英玻璃的結(jié)構(gòu)缺陷是［SiO4］四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自身缺陷，包括氧移位引起的氧缺陷和Si-O鍵斷裂類缺陷。其中由Si-O鍵斷裂形成的E+心缺陷和非橋氧缺陷都能夠與H結(jié)合，形成[SiH]或[OH]，在高溫熔制石英玻璃時(shí)，石英玻璃和水能發(fā)生≡Si-O-Si≡+H2O—≡2Si-OH的反應(yīng)從而形成石英玻璃中的羥基。
羥基是石英玻璃各種微觀缺陷中最主要的結(jié)構(gòu)缺陷，石英玻璃的制備通常是在充滿H2的氣氛中進(jìn)行的，H2為整個(gè)高溫熔融過(guò)程提供了主要的熱量，并且H2作為整個(gè)加熱體系的保護(hù)氣體，為該體系提供了安全穩(wěn)定的環(huán)境氣氛，同時(shí)石英玻璃羥基中的H也主要來(lái)自H2，因而羥基缺陷是難以避免的。
羥基缺陷對(duì)石英玻璃性能的影響
對(duì)石英玻璃化學(xué)性能的影響。石英玻璃中的羥基缺陷是Si-O鍵斷裂形成的，因此石英玻璃中羥基的存在能夠打開Si-O鍵，這樣使得石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性降低。
對(duì)石英玻璃熱性能的影響。石英玻璃的粘度是石英玻璃熱性能的一個(gè)表征，它與溫度密切相關(guān)。石英玻璃的羥基缺陷使Si-O鍵斷裂，從而降低石英玻璃的粘度，在溫度較低的情況下，羥基對(duì)石英玻璃粘度的影響效果更為明顯。
對(duì)石英玻璃光學(xué)性能的影響。石英玻璃中的雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)影響到石英玻璃吸收各種波長(zhǎng)的光的效果，繼而影響石英玻璃的光譜透過(guò)率。
對(duì)石英玻璃機(jī)械性能性能的影響。石英玻璃含有雜質(zhì)和羥基，其對(duì)石英玻璃的密度有一定的影響，雜質(zhì)和羥基的含量越高，石英玻璃的密度值就越低。
如何降低“羥基”對(duì)石英玻璃的影響？
①空氣中進(jìn)行煅燒，因?yàn)榭諝庵泻兴�，所以主要是將由氫形成的羥基脫出來(lái)，脫羥裝備可采用隧道窯、推板窯或箱式電爐；
②脫羥中通入高純氮?dú)猓@種工藝可以將氫形成的羥基全部脫出來(lái)，而且可以脫出少量由水形成羥基，因?yàn)橛伤纬傻牧u基屬穩(wěn)定形，水在石英玻璃中擴(kuò)散速率慢，需要長(zhǎng)時(shí)間煅燒才能部分脫出來(lái)，裝備為推板窯或箱式電爐，爐門必須密閉，留有進(jìn)氣口和出氣口，脫羥時(shí)不斷送入高純氮?dú)猓３譅t內(nèi)氣氛含水量極低(1×10-6～2×10-6)；
③采用真空脫羥，裝備采用真空電爐，真空度10-4Pa，爐中氣氛幾乎沒(méi)有水分，造成有利的脫羥條件，加大羥基擴(kuò)散速率。
Morimoto等研究了隨著溫度升高石英玻璃釋放的氣體種類，發(fā)現(xiàn)采用不同工藝制備的石英玻璃的脫羥機(jī)理不同。對(duì)于合成石英玻璃來(lái)說(shuō)，隨著溫度升高相繼釋放出氫氣和水蒸氣。
Wiesenfeld等研究了200～900℃溫度范圍內(nèi)化學(xué)氣相沉積法制備的二氧化硅玻璃與氫反應(yīng)生成羥基的機(jī)理，認(rèn)為合成石英玻璃脫羥過(guò)程是羥基與玻璃的缺陷反應(yīng)生成分子氫，氫氣通過(guò)擴(kuò)散從石英玻璃中得到排出。
周永恒和顧真安通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)熱處理合成石英玻璃時(shí)羥基分別通過(guò)氫氧鍵斷裂釋放氫氣和臨近羥基對(duì)反應(yīng)生成H2O而脫除。
張國(guó)君等建立了SiO2疏松體高溫脫羥及燒結(jié)過(guò)程的多物理場(chǎng)耦合模型，綜合考慮了脫羥化學(xué)反應(yīng)、多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)、孔隙率變化等復(fù)雜的物理現(xiàn)象，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型的可靠性�；谀M結(jié)果，研究了脫羥過(guò)程升溫曲線對(duì)最終羥基含量及分布的影響，發(fā)現(xiàn)隨著脫羥時(shí)間的延長(zhǎng)，最終的羥基含量降低且羥基分布的均勻性增加。
整體而言，石英玻璃中羥基的多少與原料中的羥基含量和石英熔制工藝、氣氛及脫羥技術(shù)密切相關(guān)。需要了解羥基的來(lái)源，在每個(gè)環(huán)節(jié)盡可能避免，盡可能保石英玻璃儀的純度。
參考資料：
李靜.微波和酸蝕作用去除石英砂中氣液包裹體及機(jī)理研究
張國(guó)君等.SiO2疏松體高溫脫羥過(guò)程數(shù)值模擬
潘國(guó)璋.電光源用石英玻璃的現(xiàn)狀——低羥基石英管的研究與生產(chǎn)
符博等.石英玻璃中羥基對(duì)其性能的影響
周永恒.石英玻璃及原料中羥基的研究
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/三昧）
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