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石英玻璃化学性质石英玻璃具有极低的热膨胀係数 ， 高的耐温性 ， 极好的化学稳定性 ， 优良的电绝缘性 ， 低而稳定的超声延迟性能 ， 最佳的透紫外光谱性能以及透可见光及近红外光谱性能 ， 并有着高于普通玻璃的机械性能 。因此它是近代尖端技术中空间技术、原子能工业、国防装备、自动化系统 ， 以及半导体、冶金、化工、电光源、通讯、轻工、建材等工业中不可缺少的优良材料之一 。石英玻璃是用天然结晶石英（水晶或纯的硅石） ， 或合成硅烷经高温熔制而成 。熔融后的产品具有极好的加工性能 ， 在极高的粘度範围内 ， 可以将管和棒进行有如普通玻璃细工一样的热加工 ， 还可以用金刚石或碳化硅製成的磨具进行高速机械加工 ， 从而製成各种複杂形状的仪器和特种製品 。石英玻璃的性能主要取决于它的纯度 ， 其次是工艺过程或热工制度 。微量杂质的存在将给石英玻璃的使用性能带来重大的影响；同时由于工艺过程或热工制度的稍有疏忽 ， 将给外观质量带来多种多样的缺陷 ， 产生大量的废次产品 。纯度概述纯度是石英玻璃的重要指标 ， 对理化性能和使用性能影响甚大 ， 如失透性、高温强度、软化点、光的传导、热稳定性、化学稳定性、耐辐射性、萤光特性等；此外 ， 用于半导体工业的石英玻璃 ， 对纯度的要求更为苛刻 ， 微量的杂质将给半导体材料的电性能和寿命以及集成度带来严重的影响 。由于半导体材料的纯度要求控制在ppb数量级以下 ， 因此石英玻璃则应控制在PPm数量级以适应半导体工业的需要 。B的分凝係数近于1,最难除掉 ， 是最有害的杂质之一 ， Cu、Fe、Ti等影响半导体的少子寿命 ， K、Na、Li是单晶材料产生微缺陷的有害杂质 。
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石英玻璃详细 表1 石英玻璃的化学纯度 单位 ×名称AlFeCaMgTiCuMnNi电熔石英玻璃322.01.51.52.080.20.270.2气鍊石英玻璃160.921.50.41.00.010.05<0.3电弧石英玻璃10.40.30.60.31.350.05<0.05<0.3合成高纯石英玻璃0.370.310.270.040.030.030.01<0.03红外光学石英玻璃351.452.681.321.060.220.07<0.03紫外光学石英玻璃3.90.43.51.20.450.10.020.06不透明石英玻璃567.415.31.571.50.20.1-名称PbSnCrBKNaLiOH-电熔石英玻璃0.2<0.3<0.30.22.125.31<0.35气鍊石英玻璃<0.3<0.3<0.30.21.491.67<0.3400电弧石英玻璃<0.03<0.03<0.03<0.10.71.01.027合成高纯石英玻璃<0.03<0.03<0.030.32.23<0.35红外光学石英玻璃<0.03<0.03<0.030.32.23<0.35紫外光学石英玻璃0.040.020.030.10.51.50.051200不透明石英玻璃--------失透性失透（又叫析晶性）是石英玻璃的一个固有缺陷 ， 从热力学观点看 ， 石英玻璃的内能高于结晶态方石英 ， 属热力学上不稳定的亚稳态 ， 当温度高于1000℃时 ， SiO2 分子振动加速 ， 经一段较长时间的重新排列、定向便形成结晶 。失透性是以晶核成长速度来表示的 ， 不透明石英玻璃在1520℃、透明石英玻璃在1620℃析晶速度分别达到最大值 。
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石英玻璃析晶主要出现在表面 ， 其次是内部缺陷处 ， 原因是这些地方容易沾污 ， 引起杂质离子的局部集聚 ， 特别是硷离子（如K、Na、Li、Ca、Mg等）进入网路后引起粘度降低 ， 促使失透加速 。由于石英玻璃的热膨胀係数和比重同析晶产物β-方石英相近 ， 所以在高温下连续使用时 ， 儘管析晶区不断扩大 ， 但体积变化并不明显 ， 仍可满意地继续使用 ， 此时尚可减轻玻璃的塑性变形 ， 使耐火度提高 。当析晶产物冷却到800℃时 ， 则出现细小的龟裂网路 。继续冷却到200-275℃时 ， 则出现方石英从高温型到低温型（即β-方石英→a-方石英）的结构变化 ， 并伴随着发生体积聚变 ， 如果析晶层很深 ， 则石英玻璃亦随之破裂 。由于析晶常常出现在有杂质的地方 ， 所以高温使用前的表面状态及周围耐火材料、气氛十分重要 。有关使用石英玻璃时注意事项后面还要介绍 。化学性能石英玻璃属酸性材料 ， 除氢氟酸和热磷酸外 ， 对其它任何酸均表现为惰性 ， 是最好的耐酸材料 。在常温下硷和盐对石英玻璃的腐蚀程度也是极微的 ， 因此不排除在这些试剂中使用石英玻璃 。透明石英玻璃比不透明石英玻璃具有更好的化学稳定性 ， 这是因为后者由于气泡的存在暴露在腐蚀液中的表面积增加所致 。石英玻璃不吸湿 ， 不风化 。石英玻璃对所有硷和硷土化合物都非常敏感 ， 这些化合物极轻微的痕量也会促使石英玻璃在高温下产生析晶 。表2 各种溶液侵蚀石英玻璃的重量损耗 溶液名称浓度（比重）温度/℃浸蚀时间 小时重量损耗 g/m2透明石英玻璃重量损耗 g/m2不透明石英玻璃盐酸1.1960240.0340.16硝酸1.40115240.110.15硫酸1.84205240.060.13氢氟酸38%室温 222259.39379.80NaOH1%10120.805.15KOH1%9820.684.63氨水25%6520.090.33NaCl10%10220.140.34Na2CO310%10221.204.99透气性石英玻璃的结构十分鬆弛 ， 甚至在高温下还允许某些气体的离子通过网路进行扩散 ， 其中以钠离子的扩散为最快 。石英玻璃的这一性能对于使用者尤为重要 ， 例如 ， 半导体工业用石英玻璃作为高温容器或扩散管时 ， 由于半导体材料要求很高的纯度 ， 所以要求与石英玻璃接触的作为炉衬的耐火材料必须预先经过高温和清洁处理 ， 除掉钾、钠等硷性杂质 ， 然后才能放入石英玻璃内使用 。各种离子在石英玻璃中的扩散係数见表3表3 各种离子在石英玻璃中的扩散係数透明石英玻璃 合成石英玻璃Na+ 2×10-4 5×10-5Ca2+ 2×10-8Al3+ <10-12 <10-12Ag+ 10-5 10-7注：1.在1100℃下的扩散係数2.单位：厘米2/秒在常温下 ， 可以认为石英玻璃是不透气的 ， 在高温（例如700℃）下 ， 某些气体的透气常数也很小 。因此可以用在高温高真空装备中 。石英玻璃的透气常数及用石英玻璃作容器连续抽真空所的最高真空度见表4、表5.表4 石英玻璃容器连续抽真空所获得的最高真空度（实验条件）种类 真空度（毫米汞柱）及温度（℃）20 900透明石英玻璃 3.7×10-6 7.0×10-6不透明石英玻璃 1×10-5 7.4×10-6表5 石英玻璃的透气常数K气体 透气常数K200℃ 400℃ 600℃ 700℃ 800℃ 900℃ 1000℃氦 1.39 6.15 16.4 21.9 28.5 36.2 45.4氢 0.022 0.37 1.43 2.52 4.25 6.40 10.00氘（重氢） 17氖 2.8 4.2氩 <10-15氧 <10-15氮 <10-15单位：×10-10厘米3.毫米/秒.厘米2乇（在标準压力下）电学性能表6 石英玻璃的电性能性能名称 电性能指标及种类透明石英玻璃 不透明石英玻璃耐击穿电压（仟伏/毫米） 室温 >30 >16500℃ 11 7.6介电常数（106赫） ε=3.7ε=3.5介电损耗tgδ(50周/秒) 0.0003 0.001电阻（欧姆.厘米） 20℃ 1×1019 1×1015500℃ 3×108 1×1071000℃ 1×106 3×104 石英玻璃具有很高的介电强度和极低的导电率 ， 即是在高温、高压和高频下 ， 仍能保持很高的介电强度和电阻 ， 在所套用的频带内几乎没有介电损耗 ， 因此石英玻璃是优良的高温介电绝缘材料 。光学性能石英玻璃的光学性能有其独到之处 ， 它既可以透过远紫外光谱 ， 是所有透紫外材料最优者 ， 又可透过可见光和近红外光谱 。用户可以根据需要 ， 从185-3500mμ波段範围内任意选择所需品种 。由于石英玻璃耐高温 ， 热膨胀係数极小 ， 化学热稳定性好 ， 气泡、条纹、均匀性、双折射又可与一般光学玻璃媲美 ， 所以它是在各种恶劣场合下工作具有高稳定度光学系统的必不可少的光学材料 。石英玻璃的结构 ， 杂质含量 ， OH基因及NO、CO等含量是影响光谱透过率的主要因素 ， 氧原子结合不良在0.24μ处则有吸收峰 ， 含有OH基团的石英玻璃 ， 在2.7μ处由于分子振动将产生明显的吸收峰 ， 紫外透过率低主要是由于金属杂质多造成原子吸收光谱所致 。石英玻璃的光谱特性曲线电熔石英玻璃是很好的透红外材料 ， 但由于杂质的存在 ， 紫外透过率低 。氢氧焰熔制水晶所获得的石英玻璃 ， 由于氧结构缺陷 ， 在0.24μ处有吸收峰 ， 同时含有OH基团 ， 所以红外透过极低 。用合成原料气炼的高纯光学石英玻璃是最好的透紫外材料 ， 但在2.7μ处有严重的OH吸收峰 。只有用合成原料通过电熔或无氢火焰熔融而成的光学石英玻璃 ， 才能很好地透过从远紫外到近红外的连续光谱 。石英玻璃的折射率及光学常数见表7、表8.表7 光学石英玻璃的折射率（之一）波长（毫微米） 水晶熔制石英玻璃 合成石英玻璃185.41 1.57464 -193.53 1.56071 -202.54 1.54729 1.54717206.20 1.54269 1.54266213.85 - 1.53434214.45 1.53385 -226.50 1.52318 1.52299232.94 1.51834 -237.83 - 1.51473248.20 - 1.50841250.20 1.50762 -257.62 1.50397 1.50351265.36 - 1.49994274.87 1.49634 -280.35 - 1.49403289.36 - 1.49098298.06 1.48859 1.48837307.59 - 1.48575313.17 - 1.48433328.36 1.48183 -334.15 - 1.47976340.36 1.47877 1.47860346.69 1.47766 1.47748361.17 1.47513 1.47503365.48 - 1.47448398.84 1.47028 -404.65 - 1.46961435.83 1.46679 1.46669486.13 1.46324 1.46314546.07 1.46021 1.46007 587.56 1.45857 1.45847656.27 1.45646 1.45637注：测量误差：±3×10-5表7 光学石英玻璃的折射率（之二）波长λ(微米) 折射率 波长λ(微米) 折射率0.67 1.456066 1.30 1.4469800.68 1.455818 1.40 1.4458450.69 1.455579 1.50 1.4446870.70 1.455347 1.60 1.4434920.80 1.453371 1.70 1.4422500.90 1.451808 1.80 1.4409541.00 1.450473 1.90 1.4399571.10 1.440261 2.00 1.4381741.20 1.448110 2.10 1.4366802.20 1.435111 2.90 1.4216842.30 1.433462 3.00 1.419372.40 1.431730 3.10 1.416942.50 1.429911 3.20 1.414402.60 1.428001 3.30 1.411732.70 1.425995 3.40 1.408932.80 1.423891 3.50 1.40601表8 石英玻璃的光学常数项目 指标及品种水晶熔制石英玻璃 合成石英玻璃Nd(He587.56mμ) 1.45857 1.4587Nf(H486.13mμ) 1.46324 1.46314Nc(H656.27mμ) 1.45646 1.45637色散係数 V=(Nd-1)/(Nf-Nc) 67.6 67.7中部色散: Nf-Nc 0.00678 0.00677热学性能基本资料石英玻璃的热膨胀係数小 ， 为5.5×10-7/℃ ， 只有普通玻璃的1/12～1/20.部标準规定将试样灼烧到1200℃后急速投到冷水中 ， 反覆三次以上不允许炸裂 。石英玻璃加入适量钛元素后还可做成零膨胀係数的材料 ， 在雷射技术、天文和尖端技术中已得到套用 。详细信息透明石英玻璃的膨胀係数是温度的函式：α0,t=1/L0 ×(Lt-L0)/t式中：L0=温度0℃时的长度 Lt=温度t℃时的长度 t=摄氏温度石英玻璃的粘度 ， 导热率、比热及使用温度等见表9,10,11,12,13.表9 石英玻璃的粘度（应变点、退火点、软化点）与温度的关係粘度(lgη,泊) 水晶石英玻璃 合成石英玻璃应变点 14.5 1075℃±25 1025℃±25退火点 13.0 1140℃±25 1120℃±25 软化点 7.6 1730℃±40 1600℃±40加工範围 5～8 1700～2100℃ 1600～2000℃表10 石英玻璃的导热係数温度(℃) 导热係数卡/厘米.秒.℃透明石英玻璃 不透明石英玻璃20 0.00331 0.00297100 0.00367 0.00345200 0.00394 0.00386300 - -400 0.00447 0.00453500 - -600 0.00484 0.00503700 - -800 0.00514 0.005341000 0.00547 0.005501200 0.00581 0.00569表11 石英玻璃的比热温度(℃) 比热（卡/克.℃）透明石英玻璃 不透明石英玻璃-250 0.007 --100 0.112 -0 0.168 -20 0.213 0.205100 - -200 0.213 0.205300 0.220 0.218400 0.230 0.228500 0.224 0.237600 0.240 0.242700 0.250 0.247800 0.260 -1000 0.273 -1200 - -表12 石英玻璃的使用温度使用状况 最大连续工作温度 最大短期工作温度水晶熔制石英玻璃 1100℃ 1300℃合成石英玻璃 950℃ 1200℃不透明石英玻璃 800℃ 1000℃表13 石英玻璃与其它材料热膨胀值的比较（1米长试样的膨胀值）材料 0～500℃（mm） 0～1000℃（mm） 热膨胀值的比较（0～500℃ ， 倍）石英玻璃 0.27 0.48 1硬质玻璃 1.8 - 6.7平板玻璃 5.0 - 18.3高铝砖 4.0 7.9 14.8碳化硅材料 2.3 4.5 8.5铜 9.0 - 31.5炭素钢 7.0 14.9 25.9机械性能简介石英玻璃的机械性能比硬质玻璃和陶瓷都好 ， 唯脆性较差 。石英玻璃的理论计算强度很高 ， 约为24×103MPa ， 但实际测得的强度要比这个数值低数十倍 。影响强度的主要因素首先是玻璃的表面缺陷 ， 特别是表面微裂纹的大小及深度影响最为明显 ， 细磨的石英玻璃试样比粗磨的试样 ， 其抗折强度约增加0.6倍；其次是内在缺陷 ， 例如 ， 气泡、杂质、熔化不均以及残余应力等 。石英玻璃的强度随着温度的升高而增加 ， 接近退火温度时达到最大值 。石英玻璃的剪下模量、杨氏模量、阻尼、泊松比、破坏模量一般均随着温度的升高而增加 ， 硬度则随着温度的升高而降低 。详细信息表14 石英玻璃管的破坏压力透明石英玻璃管 不透明石英玻璃管管内径mm 壁厚mm 破坏压力 千克/厘米2 管内径mm 壁厚mm 破坏压力 千克/厘米24 0.5 83 15 2.5 155 1.0 150 57 9.0 107 2.0 220 80 11.0 138 1.0 100 200 13.0 79 2.0 190 370 14.0 310 1.0 70表15 石英玻璃的物理机械性能性能 单位 机械性能名称 透明石英玻璃 不透明石英玻璃密度 克/厘米 3 2.21 2.06-2.184硬度 莫氏 5-7 5-6抗压强度 Mpa 800-1000 413.4-813.0抗折强度 Mpa 60-70 40-60抗拉强度 Mpa 49 35抗冲击强度公斤.厘米/厘米