从原料到成品，高纯石英玻璃的六大工艺路径

粉体网 · 公众号 · · 2025-03-19 14:45

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石英玻璃具有高纯度、高光谱透射率、低热膨胀系数和优异的抗热冲击、耐腐蚀、耐深紫外辐照等优良特性，被广泛应用于光学、航空航天、半导体等高端工业制造领域。

来源：贺利氏

石英玻璃可根据制备工艺分类，制备石英玻璃的原料主要有两类，第一类是高纯石英砂，用于电熔法和气炼法，在超过1800℃的高温下制备熔融石英玻璃；第二类是含硅化合物，通过化学反应制备合成石英玻璃。

石英玻璃的制备方法及性能

电熔法

电熔法是通过电加热将坩埚内的粉末状石英原料进行熔化，随后经过快速冷却的玻璃化过程形成石英玻璃，主要有电阻、电弧和中频感应等加热方式。

这种方法熔制的石英玻璃羟基含量低，但是由于石英砂纯度不够，所以这类石英玻璃一般含有较高的金属杂质含量，使得其紫外透过率偏低，主要应用于电光源、冶金、化工、半导体等行业。

气炼法

工业上气炼法稍晚于电熔法，是利用氢氧焰将天然石英熔化，然后在石英玻璃靶面上逐渐堆积而成。气炼法生产的熔融石英玻璃主要用于电光源、半导体工业、球形氙灯等。早期较大口径的透明石英玻璃管和坩埚是用高纯石英砂在专用设备上利用氢氧焰直接熔制。现在常用气炼法制备石英砣，再将石英砣进行冷或热加工制成需要的石英玻璃制品。

该工艺设备简单，综合能耗低，制备的熔融石英玻璃气泡少，但是产品尺寸误差较大，易形成不光滑的波纹状表面。另外，采用氢氧焰制备时，氢气分子或者是氢气与氧气燃烧时生成的水会分别与二氧化硅反应生成羟基，导致产品中羟基含量偏高。这类石英玻璃主要应用于半导体、电光源、化工、冶金等行业。

CVD法

CVD法原理是加热易挥发的液态SiCl ₄ 使其气化后，令气态SiCl ₄ 在载料气体(O ₂ )的带动下，进入氢气和氧气燃烧形成的氢氧焰中，在高温下与水蒸气反应生成非晶微粒，沉积在旋转的沉积基底上，然后在高温下熔融形成石英玻璃。

这类石英玻璃具有金属杂质含量低、光学均匀性好、紫外透过率高、耐辐射等优点。但是该工艺是关于SiCl ₄ 的水解反应，故这类石英玻璃中一般含有大量羟基。

PCVD法

PCVD工艺最早是由Corning公司于20世纪60年代提出的一种使用等离子体取代氢氧焰作为制备石英玻璃的热源的工艺。PCVD工艺使用的等离子体火焰温度比一般火焰要高得多，其内核温度可高达15000K，平均温度4000~5000K，并且可根据具体的工艺要求适当地选择工作气体。

PCVD合成高纯石英玻璃装置示意图

PCVD工艺熔制的高纯石英玻璃硅氧网络结构更完整，具有金属杂质和羟基含量低、折射率均匀性高、光谱透过率高及可透过光波长范围宽（180～3500nm）等特点，可以满足精密光学、高端半导体等技术的性能要求，具有重要应用价值，是很多极端环境应用中理想的特种光学材料。

两步CVD法

从原料到成品，高纯石英玻璃的六大工艺路径

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