《石英玻璃加工》讲课提纲
一、 石英玻璃的基本特性
1. 组分单一 SiO2
定义：SiO2含99.5%以上的玻璃体称为石英玻璃；不透明石英玻璃SiO2含 99.5％；气炼石英玻璃99.97％；电子级石英玻璃99.99%；高级石英玻璃99.999％以上；最高级99.9999% ，Heraeus产品。
石英玻璃（quartz glasss，fused quartz）分玻璃；国际上也称硅玻璃Silica glass。
一般的讲：根据原料不同，称法也不一样
天然石英晶体（水晶） fused quartz
天然石英矿石（硅石） fused silica
人工合成石英晶体 Synthetic quartz
人工合成硅的卤化物Si Synthetic quartz
可以根据对方提供的图纸上的材料一拦说明，认出是何种石英玻璃。
2. 硬度高
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莫氏硬度7。硬的物质一定脆、易碎，所以加工一定得当心，石英玻璃有了裂纹，就容易渗进未开裂之处，裂纹延伸、扩大。
3. 耐高温性能好，是石英玻璃另一个重要基本性能
能承受1300℃左右的高温，可以在1100～1200℃条件下长期工作；
抗高温形变：石英玻璃管在1200±10℃ 恒温24h；
其形变率：≯4%，Φ＜120mm
≯6%，Φ＞120mm
∵ Si－O键强106千卡/摩尔
∴ 石英玻璃的耐高温性能远远超过任何一种玻璃
石英玻璃的耐高温性能与其生产工艺不同而各有差异。
电熔法优于气炼法，等离子优于电熔法，气炼法优于连熔法，其原因是OH-含量不同。
表征石英玻璃性能的三个主要温度点：
➢ 退火温度： 这个温度下，15min内，内部应力基本释放空，对应lgη＝13°，1140～1180℃。
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➢ 软化点温度：在这个温度下，石英玻璃将在其自重情况下变形，对应lgη＝7°，1580～1650℃。
➢ 熔化温度：石英玻璃 固体状态1713～1756℃。
理论上，石英玻璃能承受1000℃以上高温，短时间使用1450℃， GE-214型1100℃长期使用，1300℃短时间使用。
为了进一步提高石英玻璃耐高温性能，各公司竟相研制新产品；如我国Al2O3涂层管，SiC涂层管。
4. 热膨胀性能
热膨胀系数极低，仅为普通玻璃的1/4。α=5.10×10-7/℃（常温下）。
5. 热稳定性好
石英玻璃具有承受高温巨变的能力。
TC／T597-1995
石英玻璃在1100℃恒温15min，置于20±5℃水中急冷，不得出现裂纹、缺口。
大件制品在1100℃恒温 15min，置于空气中冷却，不炸裂、无缺口。
石英玻璃的热稳定性还取决于玻璃的热历史，还和它的物理性能如线胀系数、弹性抗张
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强度、导热性、热容量有关，还有内应力、制品表面微裂纹、形状尺寸、加热冷却条件等。
6. 粘度
石英玻璃的粘度与生产工艺、所用材料、含金属杂质、OH含量及其之不纯物相关。
石英玻璃粘度大：
∵ 成型操作范围很窄，温度高了，挥发量大；温度低了，粘度大，拉不动。
∴选择适当的加工温度很主要。
7. 结晶性
结晶性：透明石英玻璃在特定的温度下析出晶体造成失透。
石英玻璃长期在高温下使用，由表及里蔓延，扩大而脱落。
原因：产生了α－方石英。
影响析晶的因素：温度、时间、杂质（内因加外因）
透明石英玻璃析晶从1000℃开始，1200℃显著，1525℃最大值，时间越长，析晶越严重，α－方石英生产量越多，石英玻璃内部的杂质离子和表面玷污是析晶的内因，杂质越多，析晶越快越多。
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通常，析晶总是从表面上或多或少的污染点开始，在向内部扩展，碱金属和碱土金属离子对析晶有极大影响，约可以降低析晶开始温度200～300℃。
发生析晶怎么办？
已经产生析晶的石英制品当冷却到275℃以下时会在析晶层产生裂纹。这些裂纹会向没有析晶的部分扩展、直到整个制品破碎。但若不降温到300℃以下，这些析晶仍然是透明的。
只要将析晶的石英制品总是保持在300℃以上使用，析晶层就不会产生破坏，制品就可以继续使用先相当长的时间。
析晶的应用：
石英玻璃析晶析出α－方石英，有其危害的一面，但研究表明α－方石英的晶体结构有支撑作用，能增强石英玻璃抗高温形变性能。
∴Ae2O3涂层利用这一点，在石英管外表面均匀涂一层高能Ae2O3，使其在高温下人为造成一层析晶层，以提高其高温形变性能，使其在1300℃使用。
石英玻璃的其它性能，如：
光谱特性、高透过率、耐 性能、机械性能、化学性能、耐酸不耐碱、电学性能等不展开讨论。
二、 石英玻璃的加工工艺
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石英玻璃的深加工是指将石英玻璃原料（管状、棒状、片状、块状）加工成用户需要的石英器件，在加工方法上分为冷加工和热加工两种形式：
1、 石英玻璃的冷加工——主要是切（割）研（磨）抛（光）三种：
切割 砣，金刚砂锯片、金刚石锯片，主要用于切割石英管、石英片。
多刀切割机、线切割机，主要用于石英碇、石英块料。
激光切割机、内园切割机，主要用于切割导行板材。
研磨 平面磨盘、单轴、双轴抛光机，分粗磨：Hcp在10～20µm 光洁度▽2。
平面铣床、多功能铣床， 细磨：Hcp在6.3µm 光洁度▽6。
钻床、车床、内园、外园磨床， 粗磨：Hcp在6µm以下▽7。
抛光 多轴抛光机 Hcp＜λ，即0.5µm以下。
解释：
①粗磨的目的是成型，使加工件具有一定的几何形状。
用散粒磨料或结合磨料加工石英玻璃表面后，其表面不平度Hcp10～20µm，▽2。
粗磨有的用散粒磨料在磨盘上手工磨，或用结合磨料机械磨。
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散料磨料有绿SiC色（金刚砂）和电熔白刚玉等几种；用60＃～12＃电熔刚玉砂可达到▽2。
结合磨料有SiC树脂，金刚石磨轮。
粗磨最好在平面磨床或铣床上用结合磨料进行。
②细磨：目的是改善表面的粗糙度，使被加工件获得接近完工的几何形状，为抛光打下基础，用散粒磨料研磨表面，不平度Hcp＜6.3µm；尺寸精度0.5～1.0mm。
细磨也有二种：
手工散粒磨料+平面磨盘，一般选用较小磨盘，线速度12m／s以上，加工件在磨盘上是椭圆形运动，正常自转180°
机械磨，上盘，加工件固定以圆形铸铁平面上。
单轴抛光机，双轴抛光机（H015型）轴抛光机。
③精磨：目的是进一步改善玻璃表面智质量，尽量减少抛光必须完全除去的破换层厚度，并对几何尺寸进一步修正。Hcp＜6µ、▽7左右。
精磨的主要指标是光洁度，检查方法是在反射光下用肉眼观察。
精磨磨料为 20 120～14µm。应尽量避免擦伤。
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④抛光 Hcp＜λ；即＜0.5µm。抛光的目的是使玻璃光石的微观起伏小于光波波长。
精磨石的玻璃即可进行抛光；使玻璃对光线有良好的透过能力。
用以沥青+松香为气体的抛光胶；抛光车间要求恒温。
有高速和低速二种抛光设备。各种工具夹具。
2、 石英玻璃的热加工工艺
分灯工加工和玻璃车床加工二种。
① 灯工加工
设备：各种石英灯具，分内混式和外混式二种（H2和O2混合）
高纯石墨摸具，金属托架附石墨转轮。
② 玻璃车床加工 附各种灯具，工夹具。
玻璃加工车床、二次成型车床； 德国Arnold和英国Heathway公司的设备为好，我国重庆一家企业的设备也不错。
③ 高温退火炉和精密退火炉，酸洗槽。
石英玻璃热加工是用H2和O2火焰（有时还加入乙 ）将经过冷加工的石英管、棒、片
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加工成用户需要的石英炉管（扩散管、氧气管、钟罩）石英舟及其他石英制品，如均流板废液瓶、保温筒、源瓶等。
灯工加工精度 GB/T1804—2000； c级
冷加工加工精度 GB/T1804—2000； m级
附：石英玻璃加工企业主要生产设备
一、 冷加工：主要是切割、 研磨、 抛光；简称切 磨 抛
1. 切割
外园切割机有三种：① 砣—用磨料切割，俗称泥切割
② 金刚砂锯片—树脂锯片；水冷却
③ 金刚石锯片—金属薄片上镶嵌青铜和金刚石；水冷却
还有多刀切割机、线切割机、内园切割机。
激光切割机、开槽机（加工石英专用设备）
铣床能加工不规则形状的石英块，如加工石英舟的舟架。
钻孔：小孔用超声打孔机，更多用套孔模具套孔，如605引进的
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钻孔设备。
2. 研磨： 分粗磨 细磨 精磨三个等级
① 平面磨盘：最常用元研磨设备，一块大圆形铸铁大圆盘，用研磨手工研磨，使用
加工件基本符合尺寸，一般在0.1～0.3mm以内。
② 外圆磨床：用磨头加工，还有内圆磨床，衍磨机，如605引进设备。
③ 平面磨床：加工平面，精度高。
单轴。双轴研磨机，一般用于粗磨和细磨；用微粒磨料：
粗磨：平面不平度Hcp10µm。
细磨：平面不平度Hcp＜6.3µm。
精磨：平面光洁度▽7左右。
3. 抛光：分一般抛光和光学抛光二个等级
用单轴、双轴、4轴抛光机，几种散粒磨料或抛光粉。
光学抛光主要用于有光学要求的产品或有检验要求的石英材料，一般要加工到1～2个光圈。
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二、 热加工（灯工加工和玻璃车床加工）
1. 灯工加工：
石英灯具或金属灯具，高纯石墨模具、金属托架附石墨纸制转轮。
2. 玻璃车床加工
玻璃加工车床
二次成型车床，附各种灯具
3. 大、中、小型高温退火炉（tmax1200）℃
4. 精密退火炉
三、 石英玻璃制品质量检测设备
1. 直尺、 游标卡尺、 百分表
2. 测高仪
3. 投影仪
4. 应力仪
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5. 三维测量仪
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