石英玻璃管/板/棒/砣等材料的生产过程本质上是将二氧化硅原料在极高温度下熔化、均化、然后冷却固化的过程,产生气泡,核心原因是原料熔融过程中气体未完全排出,或在后续加工、使用中因环境与材质特性重新裹入气体。
一.气泡具体诱因,覆盖生产到应用全流程:
1. 原料本身:即使是高纯度石英砂也含有微量水分、无机盐、有机物等杂质,在高温熔融时会分解产生氧气,二氧化碳,水蒸气等;
2.熔融工艺:在熔融过程中,熔体的粘度非常高,气泡难以自然上浮、逸出。如果固化速度过快,气泡就会被“锁”在玻璃体内;
3.加工与成型阶段:采用吹制、拉制等工艺成型时,若操作不当,会导致空气被卷入玻璃内部;焊接或封接工序中,局部温度过高使玻璃软化,也可能吸入周围空气形成气泡 。
4.使用与环境影响:在高温使用场景下,石英玻璃内部可能因结构微小缺陷吸附气体,或与接触的气体发生反应产生新气体,这些气体聚集膨胀便形成气泡 。
二.不同生产工艺的气泡控制能力
1.电熔法生产的石英玻璃有较多气泡,成本相对较低。熔体粘度大,气泡难排出,常生产不透明或半透明石英玻璃。
2.气炼法生产的石英玻璃有少量、微小气泡,。采用氢氧焰熔化石英粉,火焰能带走部分气泡,但难以完全避免。
3.合成法(化学气相沉积,CVD)生产的石英玻璃具有极微量/近乎无气泡。在真空或低压条件下,通过四氯化硅(SiCl₄)等气体原料燃烧沉积,从根本上避免了固体原料带来的空气包裹问题。纯度极高,但同时成本相对较高。
三.在实际工业和科研中,对气泡的接受度是根据应用场景“按需分配”的。
1.可接受气泡的场景如:
- 隔热部件:不透明石英大量微气泡的存在是隔热性的来源。
- 结构件:如不直接参与光学过程或不受剧烈热冲击的支架、套管,只要气泡不位于应力集中处且尺寸不大,通常可以使用的。
- 普通照明:用于霓虹灯、金卤灯的外管,微小气泡不影响使用。
2.要求近乎无气泡的最高标准场景:
- 深紫外光刻(DUV/EUV):任何微小的气泡或杂质都会造成光散射,导致芯片缺陷,是绝对不允许的。
- 高能激光系统:气泡会成为能量集中点,引起局部过热,导致玻璃体炸裂。
- 精密光学系统:如太空望远镜的透镜、高精度干涉仪,气泡会扭曲波前,造成成像失真。
因此,当您采购石英玻璃时,关键是根据您的应用场景来选择相应等级的产品,并在技术协议中明确对气泡大小和数量的验收标准。
来源:实验室石英玻璃