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Quartz Glass Characteristics and Processing Technics
作者:管理员    发布于:2010-01-19 05:41:14    文字:【】【】【
摘要:Quartz Glass Characteristics and Processing Technics

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(quartz glasss,fused quartz)分玻璃;国际上也称硅玻璃Silica glass。
一般的讲:根据原料不同,称法也不一样
天然石英晶体(水晶) fused quartz
天然石英矿石(硅石) fused silica
人工合成石英晶体  Synthetic quartz
人工合成硅的卤化物Si   Synthetic quartz
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 20 120~14µm。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. 灯工加工:
石英灯具或金属灯具,高纯石墨模具、金属托架附石墨纸制转轮。
2. 玻璃车床加工
玻璃加工车床
二次成型车床,附各种灯具
3. 大、中、小型高温退火炉(tmax1200)℃
4. 精密退火炉
三、 石英玻璃制品质量检测设备
1. 直尺、 游标卡尺、 百分表
2. 测高仪
3. 投影仪
4. 应力仪
5. 三维测量仪

 
 
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脚注信息

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Email: jakesong@lygquartz.com    
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