中国粉体网讯 石英玻璃的性能与化学纯度密切相关，其化学纯度会受到原材料和制备工艺的影响。天然石英晶体在生长的过程会不可避免的产生各种缺陷，而玻璃制品在制备过程中，受到制备工艺和操作环境的限制，可能会引入各种杂质、产生残余应力，进而引发结构缺陷和宏观缺陷的产生。
来源：日本东曹株式会社
石英玻璃中常见的缺陷
宏观缺陷
石英玻璃中的宏观缺陷通常是由原料不纯或制备工艺不当引起的，常见的宏观缺陷包括气泡、包裹物、条纹以及热应力导致的开裂等。熔融石英的粘度非常大，因此气泡在其中很难被去除。气泡主要来源于水晶粉颗粒内含的天然气液包裹体，或者是水晶粉颗粒之间孔隙所裹带的空气、燃烧气等，其产生还与石英玻璃的熔制过程有关，不当的熔制方式会导致内部未熔化的石英原料被外表面的熔融石英所包裹，从而阻碍了气泡的逸出。石英玻璃的热应力出现在冷却过程中，是由玻璃不同部位的温差引起的。热应力不均匀会导致石英玻璃的光学不均匀性增加，热应力过高时甚至会导致石英玻璃的开裂。与结构缺陷不同，宏观缺陷的产生往往意味着石英玻璃产品的报废，因此在实际生产中需要对制备工艺进行严格的控制。
结构缺陷
石英玻璃的结构缺陷是由于Si-O原子网格中引入了杂质，主要包括金属杂质和羟基：金属杂质主要来源于石英砂，Fe、Cr等金属杂质会导致产生吸收衰减。石英玻璃中的羟基通常来源于氢氧火焰，羟基会影响Si-O键的稳定性，降低石英玻璃的化学稳定性，促进析晶现象的发生，与此同时，羟基会增加近红外和中红外波长域的光学损耗，Si-OH键在波长2.72、1.39和0.9μm等特定波长处的振动吸收带会影响石英玻璃在光纤和激光领域的应用。在半导体工业中，石英玻璃中的金属杂质超标会直接影响到产品的电特性。
降低石英玻璃缺陷的方法
高温均化
采用适当的高温均化工艺可改善甚至消除石英玻璃内部气泡、条纹和颗粒。高温均化的过程是不均体的溶解（如未熔融的石英颗粒和气泡）和分子离子的扩散（如金属杂质离子和羟基）。高温均化的工艺参数主要有温度、压力、均化时间等，石英玻璃在合适的温度和压力条件下，均化一定的时间能有效改善材料的结构均匀性与性能稳定性。
高温均化工艺需要特制的真空加压炉，使得石英玻璃在真空环境下升温，待温度到达石英玻璃软化温度后，充入N2加压到一定压力，再升温到石英玻璃软化变形、完全熔融的状态，保持一段时间，石英玻璃结构就会逐渐趋于均匀，最后缓慢降温。
高温均化可基本消除石英玻璃中10mm以上的大气泡、50μm以下的小气泡、尺寸较小的颗粒和条纹，以及使羟基分布更均匀。但高温均化不能消除石英玻璃中的热应力，需通过精密退火工艺来消除。
退火
石英玻璃内部残留的内应力分两种，一种是经过加热冷却不均匀产生的应力，另一种是冷加工的过程中产生的应力。石英玻璃的退火工艺可以降低石英玻璃制品的残余应力，消除分布不均匀以及过大的内应力，对确保产品的质量和使用寿命具有重要的作用。退火过程中最主要的因素：退火温度、加热与冷却速度、保温时间，每一步都关系到石英玻璃内部应力去除的程度。石英玻璃热稳定性能较好，所以升温对其影响不大，最主要的是退火温度及保温时间，这能保证消除石英玻璃中的内应力，使石英玻璃内部的结构趋于一致；而降温阶段的控制是为了防止产生二次应力。
为了保证石英玻璃温度的均匀性，减缓升温速度、延长保温时间，根据石英玻璃的半径大小，制定对应的退火时间；为了保证石英不会产生二次应力，在冷却过程中提出了高温慢降，低温快降的原理有效的减少了石英玻璃内部产生的应力。
脱羟
羟基主要出现在电熔工艺和氢氧焰制备的石英玻璃中，其中电熔工艺制备的石英玻璃中羟基主要是石英粉料中残留的包裹体所带的水造成的，氢氧焰制备的石英玻璃的羟基主要是氢氧焰带来的。试验研究，电熔石英玻璃的羟基量少且处于亚稳态，加热较容易去除；氢氧焰制备的石英玻璃中的羟基在较高的温度下才开始减少，但是高温脱羟需要消耗的时间较长，试验表明在真空条件下脱羟，能有效的降低石英玻璃的羟基含量。热加工处理过程中在真空或者干燥的小分子气体及氮气的气氛下，可以有效的去除杂质、气体，减少析晶或气泡杂质等缺陷，提高石英制品的质量。
参考来源：
袁晶.热处理对Ⅳ类石英玻璃结构均匀性的影响
谭琦等.熔融石英玻璃制备工艺研究进展
尹素萍.石英玻璃冷却和退火过程的热应力调控及工艺优化
马千里.高纯石英玻璃制备过程的研究和工艺优化
凯德石英招股说明书
（中国粉体网编辑整理/初末）
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