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减少合成石英玻璃中的气泡的研究 刘明亮 （武汉理工大学材料学院 武汉市 430070） 摘要：针对在合成石英玻璃过程的工序中，在制作石英玻璃坨时，防治自由烟尘、水蒸气等沉积到石英玻璃基体上这一问题，我们在合成装置的尾部安装了一个抽排设备，把沉降的SiO2的颗粒与自由烟尘、水蒸气等分离并及时抽出，从而避免了气泡产生的诱导因素，生产出无气泡的石英玻璃。对生产的石英玻璃进行处理，用偏光显微镜观察气泡的大小和数量，观察结果表明：用此方案生产的石英玻璃中基本上没有气泡的存在。 关键词：石英玻璃；气泡；气相沉积法 石英玻璃由于结构紧密以及原子间很高的键强，因而具有低的热膨胀系数、电导率和优异的抗热冲击、抗腐蚀以及光谱透过性能。优良的综合性能已成为它应用在高技术领域的基础，被广泛应用于光学、光电子器件和微波介电材料。但合成石英玻璃中经常会有气泡生成，这一宏观缺陷也是石英玻璃最常见的缺陷之一，镜下观察，其气泡形状有纺锤状、线状、圆球状、椭圆状、不规则状等，这些气泡的存在严重影响了产品的很多物理、化学功能，影响了质量并缩短了其使用寿命[1]。并且随着现代科技的发展，石英玻璃的需求量不断增加，而其原料矿——天然水晶资源已近枯竭，不能满足现代高科技工业发展的需求，人们开始探索新的原料矿代替水晶来制造石英玻璃，现在比较普遍的替代物是石英砂、硅石等，但相对于水晶，这些普通石英普遍含有气液包裹体，这种缺陷能遗传到石英玻璃，导致最终产品产生气泡，危害石英玻璃的质量[2]。 因此对石英玻璃制品气泡缺陷产生的分析与研究并提出解决的办法就非常重要了，对提高产品质量和经济效益均有重要的意义。 石英玻璃制品气泡的产生原因是多方面的，它的产生与原料的气液包裹体、杂质点、颗粒度、合成过程温度分布不均及生产工艺都有一定的关系。 1 原料对气泡的产生的影响 1.1 原料中气液包裹体的影响[3] 天然水晶或硅石在形成过程中包裹了气液相的成矿热液，形成气液包裹体。硅石含的气液包裹体较多，所以外观浑浊，呈乳白色;而水晶含的气液包裹体较少，是硅石的十几分之一，因而透明度较好，见表1。目前石英玻璃普遍用天然水晶熔制而成，尽管水晶中气液包裹体较少，但对石英玻璃中气泡形成的影响却较大。 表1天然水晶、硅石中气液包裹体的成分及含量 (mg/kg) 实验中测定了气泡气体成分(见表2)，气泡中大多含有CO2，CO和H2S，这三种气体成分是水晶气液包裹体带入的，大气泡中的H2O、CH4及小气泡中的SO2等也是由天然水晶气液包裹体带入的，文献报道，天然水晶中普遍含有H2S和SO2气相杂质;N2、O2是水晶粉体间隙裹入的空气成分；H2是水晶粉体裹入的燃烧气体。从表2可以看出，水晶中气液包裹体在石英玻璃气泡中的含量约占70多以上，是形成石英玻璃中气泡的主要气体。 表2气炼石英玻璃中气泡气体成分及含量（mol%) 水晶的水淬温度对石英玻璃中气泡形成的影响见表3。可以看出，900℃水淬料产生的平均气泡密度是550℃的一半，因为900℃缎烧水晶比550℃缎烧时排除气液包裹体更充分。岩相分析结果，东海一级水晶气液包裹体含量为0.01%左右，而东海四级水晶在4%~5%，包裹体最大尺寸70μm，最小约1μm，一般为十几μm左右，由于气液包裹体太小，所以用煅烧和机械粉碎方法消除气液包裹体是有限的。 表3水晶水淬温度对石英玻璃中气泡形成的影响 1.2 原料中杂质富集点的影响[4] 杂质富集点对石英玻璃中气泡形成的影响有两种情况： ①易挥发的有机物杂质在高温时变成蒸气而形成一个气泡，在石英玻璃中可以见到有的气泡外围含有未完全挥发的云雾状黑点。 ②不易挥发的杂质点(如天然杂质矿物、金属等)在石英玻璃熔体中易诱发析晶，由于方石英体积比石英玻璃小，析晶点处发生体积收缩而产生气泡，这种气泡又叫真空气泡，它可能是由于石英玻璃熔体内局部发生析晶，体积收缩而产生负压，使溶解的气体又释放出来而形成气泡。可以观察到石英玻璃中析晶点外围常呈球面，这是由于内部含有气体的缘故。 1.3 原料粉体颗粒度的影响 水晶粉颗粒度决定了水晶粉体的流动性及孔隙率。流动性及孔隙率对熔制中产生气泡的影响较大。一般说来，水晶粉体流动性愈好，孔隙率愈小，对熔制工艺愈有利。图1表明，粒度愈细，静摩擦角愈大，愈不易流动。图2表明，无论是紧密堆积还是松散堆积，都显示出粉体颗粒度愈细，孔隙率愈大的趋势。 图1水晶粉体静摩擦角与颗粒度的关系 图2水晶粉体孔隙率与颗粒度的关系 1.紧密堆积;2.松散堆积 粒度在100~ 150目时，水晶粉孔隙率是低谷，当粒度大于100目时，由于杆状料较多，孔隙率增大。另外，