在常温下,这四种光学玻璃材料都是优秀的绝缘体。我们通常用“体积电阻率”(单位:Ω·cm)来衡量材料的绝缘能力。数值越高,绝缘性越好。电阻率排序 石英玻璃 > 蓝宝石 > K9玻璃 > 超白玻璃。
1.石英玻璃是绝缘性能冠军。其卓越的绝缘性源于极高的化学纯度(>99.9%的SiO₂)和稳定的共价键网络结构。几乎不含碱金属离子(Na⁺, K⁺),而这些离子是导致电导率升高的“元凶”。因此,无论是在常温还是高温下,它的电阻率都遥遥领先。除了良好的电绝缘性,同时石英玻璃具有耐高温,耐腐蚀,热膨胀系数极低,紫外到近红外透光性好等优良特性。
2.蓝宝石玻璃是绝缘性能亚军,几乎与石英玻璃在同一数量级。蓝宝石是单晶氧化铝,其原子排列是长程有序、极其致密的晶体结构,没有非晶玻璃中那种相对松散的离子迁移通道。除了良好的电绝缘性,单晶蓝宝石还具有硬度极高(莫氏9级),耐磨耐刮,耐高温,热导率高,透光波长范围广等特性。
3.K9玻璃是硼硅酸盐玻璃的一种,其成分中引入了氧化硼(B₂O₃),这有助于“堵住”玻璃网络结构中的空穴,从而在一定程度上抑制了碱金属离子(K₂O)的迁移。K9光学性能优良,成本远低于石英和蓝宝石,质地相对较软,加工性好,是光学透镜、棱镜最常用的材料。
4.超白玻璃的本质是“低铁含量的钠钙硅玻璃”。它虽然光学透明度很高,但其基础化学成分决定了它含有相当比例的氧化钠(Na₂O)和氧化钙(CaO)。大量的钠离子(Na⁺)在电场作用下非常容易迁移,导致其电导率较高,电阻率较低。随着温度升高,其绝缘性能会急剧恶化。但是超白玻璃成本最低,易于大规模生产,可见光透光率好,但注意它不透紫外。
如果需要更好的紫外透过率或更低的热膨胀,同时绝缘的透明材料必然选择石英玻璃。如果同时需要极高的硬度、耐磨性和导热性,就选蓝宝石。如果用于普通常温光学系统,且对绝缘性有一定要求,K9玻璃是性价比最高的选择。如果绝缘性不是首要考虑因素,更看重透光性和低成本,那么超白玻璃是合适的材料,但它不适合用于任何对电绝缘有严格要求的精密场合。
在实际应用中,表面清洁度对光学镜片的绝缘性能影响巨大。任何表面的污染物、水汽、指纹都会形成导电通道,严重降低绝缘效果。因此,无论选择哪种材料,保持其表面洁净干燥是实现良好绝缘性的前提。
来源:实验室石英玻璃