中国粉体网讯  石英玻璃以天然结晶石英（水晶或高纯硅石）或硅化合物为原料，在洁净环境中经高温熔制而成，具有一系列优良的物理化学性能。石英玻璃被广泛应用于需要高温、洁净、耐蚀、透光、滤波等特定的高新产品生产工艺环境中，是半导体、航空航天、光通讯等领域不可或缺的重要材料。

石英玻璃的性能

来源：菲利华招股说明书、中国电子信息产业统计年鉴，民生证券研究院

石英玻璃的性能与其纯度密切相关，在石英玻璃的制备过程中不可避免的会引入各种杂质，进而导致石英玻璃中缺陷的产生和性质的改变。石英玻璃的缺陷产生主要有两个方面的原因：原材料，生产工艺。如果原材料的纯度不够，则生产出来的石英也会有各种问题，气泡、杂质、羟基含量高、析晶严重以至于其各种性能都不能达标。如果工艺上控制不严格，出现羟基、内应力、条纹及微观结构缺陷，同样会降低石英材料的性能指标。

石英玻璃原料纯度

判断石英玻璃原料纯度高低的指标是原料中碱金属(Li、Na、K)、过渡金属元素(Fe、Cr、Mn、Ni、Cu)以及Al、B和Ti等金属元素含量的多少。

国标规定透明石英玻璃的杂质含量

杂质对石英玻璃的影响最明显的是析晶行为，碱性金属对石英玻璃的影响最为严重。Li、Na、K等碱金属在熔融石英玻璃结构中具有极强的助熔作用，导致石英玻璃的失透和高温变形，其次，碱金属会影响石英玻璃的热学特性和光学特性，降低电光源、半导体等的使用寿命；除此之外，碱金属还能增大熔融石英玻璃的介电系数和介电损耗，影响石英玻璃的介电性能和机械强度。

过渡金属超标会影响石英玻璃导电性，透光性，也会造成析晶现象。过渡金属元素Fe、Cr、Mn、Ni、Cu等都有多种氧化态，常呈一定的颜色，对熔融石英玻璃质量影响特别严重。比如微量过渡金属元素会降低熔融石英玻璃的导电性，对仪器的可靠性和预见性起负面作用，还会使其产生色斑或高温变色，影响透光性能。

Al、B过高，材料硬而脆，强度降低。石英中Al、B和Ti含量与矿床地质有直接关系，Al、B和Ti进入石英晶格中产生较强的化学键，是石英中最难脱除的杂质元素。这些元素含量过高会严重影响石英玻璃的析晶行为，导致石英玻璃硬而脆，强度降低。

石英杂质的另一个来源是包裹体。天然石英中通常含有矿物包裹体、熔融包裹体和流体包裹体，包裹体的种类和含量主要取决于矿物的成岩环境和结晶学的变化。石英中的矿物包裹体和熔融包裹体由于粒度极细且被石英严密包裹，很难在不破坏石英晶体的条件下通过选冶方法除掉。流体包裹体对高纯石英的影响首先表现在流体包裹体中富含金属离子，是影响石英纯度的主要因素之一。其次流体包裹体在石英熔融过程中不会完全爆裂，熔化前未爆裂的流体包裹体会在熔融石英玻璃中形成气泡缺陷。

原料的粒度分布和颗粒形状

原料的粒度分布不均匀会导致石英玻璃的气泡和微量晶核的产生。比如在熔制过程中，由于表面活化能的不同，小颗粒石英比大颗粒石英优先熔化，先熔化的石英溶液包覆于未熔化的石英表面，使大颗粒不易彻底熔化，形成颗粒缺陷，产生颗粒晶核，加速析晶。此外，小颗粒间隙所包含的气体量多，增大了熔化排气难度。不同的石英玻璃熔制工艺所需的原料粒度分布不同，比如，电熔工艺一般要求石英砂的粒度范围为40~80目，60~120目或80~140目；气炼工艺一般要求石英砂的粒度范围为80~200目；等离子体熔制工艺一般要求石英砂的粒度范围为120~200目。

原料的颗粒形状也是影响石英玻璃产生工艺气泡的原因之一。在高纯石英砂的熔制过程中，长径比大的针状颗粒易形成架棚现象，使下料不畅，导致玻璃制品出现工艺气泡。为了减少架棚现象，增加石英砂的流动性，要求石英砂为粒状，长径比尽量接近1:1，近似球形。因此，必须对原料的粒度分布与颗粒形状进行严格控制。

石英玻璃的生产工艺

石英玻璃制备过程中，由于温度的影响，会出现三种缺陷：第一种是在石英内部出现的未熔颗粒，主要出现在熔融石英玻璃中；第二种是在石英玻璃表面出现的条纹，这种缺陷主要是在以SiCl4为原材料的石英玻璃中出现，这两种缺陷都是因为温度场分布不均匀；第三种是石英玻璃冷却过程中内外部产生温度差导致内应力的出现，使其内部结构处于亚稳定状态，降低机械强度和热稳定性。

在相同原材料、不同工艺条件下，石英玻璃的杂质及羟基含量差异很大。

目前生产石英玻璃的工艺方法主要有电熔法、气炼法、等离子体沉积法等方法。电熔法出品率高且经济，是国内最为普遍的工艺方法，采用电熔法制备的石英玻璃，其品质主要取决于原料的纯度。石英原料中的金属杂质通常很难去除，因此电熔石英玻璃中的金属杂质一般含量较高且难以控制。通过烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用电熔法可以制备出羟基含量较低的石英玻璃。气炼法制备的石英玻璃虽然能减少杂质含量，但是成品的羟基含量过高；等离子体沉积法能同时解决杂质和羟基含量，但是成本高，所以实现大量产业化较为困难。

参考来源：

张玉等.石英玻璃的发展现状及趋势

谭琦等.熔融石英玻璃制备工艺研究进展

马千里.高纯石英玻璃制备过程的研究和工艺优化

民生证券.菲利华.高端石英材料龙头，产业优势地位突出

（中国粉体网编辑整理/初末）

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