玻璃材料中的这颗“皇冠”，如何打造？

中国粉体网讯  石英玻璃成分为二氧化硅，具有透过率高、光学均匀性优异、热膨胀系数低、耐热性好、化学稳定性高、电绝缘性能和耐激光损伤性能好等一系列优异的性能，是现代信息产业、光学、光伏、半导体等国家战略性新兴产业和航空航天等国防领域发展中不可或缺的重要基础性材料。

石英玻璃制备方法可以分为两大类，第一类是以天然石英晶体或硅石为原料进行熔制得到，称为天然石英玻璃，主要有电熔法，气炼法，等离子体熔制法；第二类是以含硅化合物（包括卤化硅，氢化硅及有机硅等）为原料通过化学反应合成得到，称为合成石英玻璃，常见的方法有化学气相沉积法（CVD）、等离子体化学气相沉积法（PCVD）和间接合成法。

电熔法

电熔法是通过电加热将坩埚内的粉末状石英原料进行熔化，随后经过快速冷却的玻璃化过程形成石英玻璃，主要有电阻、电弧和中频感应等加热方式。

采用电熔法制备的石英玻璃，其品质主要取决于原料的纯度。石英原料中的金属杂质通常很难去除，因此电熔石英玻璃中的金属杂质一般含量较高且难以控制。通过烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用电熔法可以制备出羟基含量较低的石英玻璃。

气炼法

气炼法是利用氢氧焰将天然石英熔化，然后在石英玻璃靶面上逐渐堆积而成。气炼法生产的熔融石英玻璃主要用于电光源、半导体工业、球形氙灯(用于火车头前照灯)等。早期较大口径的透明石英玻璃管和坩埚是用高纯石英砂在专用设备上利用氢氧焰直接熔制。现在常用气炼法制备石英砣，再将石英砣进行冷或热加工制成需要的石英玻璃制品。

气炼法工艺设备简单，综合能耗低，制备的熔融石英玻璃气泡少，但是产品尺寸误差较大，易形成不光滑的波纹状表面。另外，采用氢氧焰制备时，氢气分子或者是氢气与氧气燃烧时生成的水会分别与二氧化硅反应生成羟基，导致产品中羟基含量偏高。

等离子体熔制法

等离子体熔制法是采用等离子体为热源，高纯石英砂为原料，直接熔融制备得到石英玻璃。该方法熔制过程中不会引入外界杂质，因而采用等离子熔制法制备的石英玻璃纯度高、羟基含量低。缺点是不能制备大尺寸产品，制备的产品表面有不同程度的凹凸，需进行机械加工及清洗，以达到所需的尺寸精度及表面光洁度。另外，该工艺成本高，难以实现大规模产业化生产。

气相沉积法（CVD）

高纯SiCl₄经汽化后在H₂-O₂火焰中发生高温水解反应，并逐步沉积至沉积基底上制备得到的石英玻璃。采用CVD法制备石英玻璃从本质上避免了金属杂质的引入。此方法制备的石英玻璃具备大尺寸、高均匀、高阈值和高光谱透过等特性，是光学领域关键材料。

等离子体化学气相沉积法（PCVD）

高纯SiCl4经汽化后在无氢的等离子焰中高温氧化、熔制成超高纯合成石英玻璃。其金属杂质含量和羟基含量低（小于1ppm），可实现宽光谱高透过（190-3200nm）。

间接合成法

高纯SiCl₄原料经汽化后在~1000℃的氢氧火焰中反应并沉积形成SiO2疏松体，经脱羟和玻璃化烧结制备的高纯低羟基石英玻璃。其金属杂质含量和羟基含量低（小于1ppm），可实现宽光谱高透过（190-3200nm）。

石英玻璃堪称玻璃材料的“皇冠”，它是多个战略性新兴产业的“咽喉”材料，对于相关产业链供应链安全稳定具有重要意义，因此加强对石英玻璃产业战略意义的认知，提升其核心技术工艺至关重要。2024年11月21-22日，由中国粉体网主办的“2024（第八届）全国石英大会暨展览会”将在江苏徐州召开，届时，中国建筑材料科学研究总院石英与特种玻璃研究院的王玉芬教授将作《高纯石英材料制备技术与应用》的报告，详细介绍石英玻璃材料的战略应用及工艺技术。

参考来源：

王玉芬.石英材料的制备及其在高端技术领域的应用

谭琦等.熔融石英玻璃制备工艺研究进展

马千里.高纯石英玻璃制备过程的研究和工艺优化

（中国粉体网编辑整理/初末）

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