石英玻璃 - 物理特性
純度
純度是石英玻璃的重要指標,對理化性能和使用性能影響甚大,如失透性、高溫強度、軟化點、光的傳導、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、耐輻射性、熒光特性等;此外,用于半導體工業(yè)的石英玻璃,對純度的要求更為苛刻,微量的雜質(zhì)將給半導體材料的電性能和壽命以及集成度帶來嚴重的影響。由于半導體材料的純度要求控制在ppb數(shù)量級以下,因此石英玻璃則應控制在ppm數(shù)量級以適應半導體工業(yè)的需要。B的分凝系數(shù)近于1,最難除掉,是最有害的雜質(zhì)之一,Cu、Fe、Ti等影響半導體的少子壽命,K、Na、Li是單晶材料產(chǎn)生微缺陷的有害雜質(zhì)。
失透性
石英玻璃
失透(又叫析晶性)是石英玻璃的一個固有缺陷,從熱力學觀點看,石英玻璃的內(nèi)能高于結(jié)晶態(tài)方石英,屬熱力學上不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài),當溫度高于1000℃時,SiO2分子振動加速,經(jīng)一段較長時間的重新排列、定向便形成結(jié)晶。失透性是以晶核成長速度來表示的,不透明石英玻璃在1520℃、透明石英玻璃在1620℃析晶速度分別達到最大值。析晶主要出現(xiàn)在表面,其次是內(nèi)部缺陷處,原因是這些地方容易沾污,引起雜質(zhì)離子的局部集聚,特別是堿離子(如K、Na、Li、Ca、Mg等)進入網(wǎng)絡后引起粘度降低,促使失透加速。
離子擴散及透氣性
石英玻璃的結(jié)構(gòu)十分松弛,甚至在高溫下還允許某些氣體的離子通過網(wǎng)絡進行擴散,其中以鈉離子的擴散為最快。石英玻璃的這一性能對于使用者尤為重要,例如,半導體工業(yè)用石英玻璃作為高溫容器或擴散管時,由于半導體材
石英玻璃
料要求很高的純度,所以要求與石英玻璃接觸的作為爐襯的耐火材料必須預先經(jīng)過高溫和清潔處理,除掉鉀、鈉等堿性雜質(zhì),然后才能放入石英玻璃內(nèi)使用。各種離子在石英玻璃中的擴散系數(shù)。
電學特性
石英玻璃具有很高的介電強度和極低的導電率,即是在高溫、高壓和高頻下,仍能保持很高的介電強度和電阻,在所應用的頻帶內(nèi)幾乎沒有介電損耗,因此石英玻璃是優(yōu)良的高溫介電絕緣材料。在常溫下,它的電阻相當于普通玻璃的10倍,對全部頻率的介電損失很微小,絕緣耐壓強度大。
熱學性能
石英玻璃的熱膨脹系數(shù)小,為5.5×10-7 /℃,只有普通玻璃的1/12~1/20,標準規(guī)定將試樣灼燒到1200℃后急速投到冷水中,反復三次以上不允許炸裂。石英玻璃加入適量鈦元素后還可做成零膨脹系數(shù)的材料,在激光技術(shù)、天文和尖端技術(shù)中已得到應用。
機械性能
石英玻璃的機械性能比硬質(zhì)玻璃和陶瓷都好,唯脆性較差。石英玻璃的理論計算強度很高,約為24×103 MPa,但實際測得的強度要比這個數(shù)值低數(shù)十倍。石英玻璃的強度隨著溫度的升高而增加,接近退火溫度時達到最大值。石英玻璃的剪切模量、楊氏模量、阻尼、泊松比、破壞模量一般均隨著溫度的升高而增加,硬度則隨著溫度的升高而降低。