石英玻璃的核心生產(chǎn)工藝解析

一、原料準(zhǔn)備：純度決定品質(zhì)

1. 石英砂提純

   • 天然砂精選：優(yōu)選高純度石英砂（如安徽天柱山 4N 級砂，SiO?≥99.9%），剔除長石、云母等雜質(zhì)礦物。

   • 物理選礦：通過磁選（去除 Fe、Ti 等磁性雜質(zhì)）、浮選（分離長石）和水洗（去除泥沙）提升純度。

   • 化學(xué)提純：酸浸工藝（HCl/HF 混合酸）去除金屬氧化物，使雜質(zhì)含量＜10ppm，滿足半導(dǎo)體級需求。

2. 合成石英砂（高端場景）

   • 通過四氯化硅（SiCl?）氣相水解生成高純 SiO?粉末，純度可達(dá) 99.999%，用于光纖預(yù)制棒等精密領(lǐng)域。

二、熔融成型工藝

1. 電熔法（最常用工藝）

• 設(shè)備：電阻爐或電弧爐，溫度控制在 1700-2000℃。

• 流程：

  1. 石英砂投入坩堝，通電熔融成液態(tài)；

  2. 通過拉管、吹制或壓制模具，成型為管、棒、板等形狀；

  3. 退火處理：緩慢降溫至室溫（耗時數(shù)十小時），消除內(nèi)應(yīng)力，避免開裂。

• 特點(diǎn)：

  • 適合大規(guī)模生產(chǎn)普通石英玻璃（如加熱管、實(shí)驗(yàn)室器皿）；

  • 成本較低，但氣泡、雜質(zhì)控制難度高，純度通常為 99.6-99.9%。

2. 氣煉法（高純度工藝）

• 設(shè)備：氫氧焰熔爐，以 H?+O?燃燒提供高溫（＞2000℃）。

• 流程：

  1. 石英砂顆粒通過料斗下落，經(jīng)氫氧焰熔融；

  2. 熔融液滴在旋轉(zhuǎn)靶棒上逐層堆積，形成透明玻璃錠；

  3. 后續(xù)加工：切割、研磨成光學(xué)元件或半導(dǎo)體用管。

• 特點(diǎn)：

  • 熔融過程中雜質(zhì)揮發(fā)充分，純度可達(dá) 99.99% 以上；

  • 適合生產(chǎn)大尺寸光學(xué)玻璃（如激光窗口、光譜儀棱鏡）。

3. 氣相沉積法（超精密工藝）

• 原理：利用 SiCl?、SiH?等氣體在高溫下分解，沉積生成高純 SiO?。

• 分類：

  • MCVD（Modified Chemical Vapor Deposition）：
    石英管旋轉(zhuǎn)加熱，氣體通入后沉積在內(nèi)壁，形成多層透明玻璃，用于光纖預(yù)制棒芯層。

  • PCVD（Plasma Chemical Vapor Deposition）：
    微波激發(fā)等離子體，加速氣體反應(yīng)，沉積效率更高，適合制備低羥基（OH?≤5ppm）石英玻璃。

• 特點(diǎn)：

  • 純度達(dá) 99.999% 以上，羥基含量極低，是光通信、極紫外（EUV）光刻設(shè)備的核心工藝；

  • 技術(shù)門檻高，設(shè)備昂貴，全球僅少數(shù)企業(yè)（如日本信越、德國賀利氏）掌握。

三、后加工處理：賦予功能性

1. 光學(xué)加工

   • 研磨拋光：用金剛石磨料將石英玻璃表面粗糙度降至 Ra≤0.1μm，用于光學(xué)透鏡、比色皿；

   • 鍍膜：鍍增透膜（如 MgF?）提升紫外 / 紅外透光率，或鍍反射膜用于激光腔體。

2. 精密加工

   • 激光切割：用 CO?激光或皮秒激光切割異形件（如螺旋管、毛細(xì)管），精度達(dá) ±0.02mm；

   • 擴(kuò)口與封接：通過火焰熔融實(shí)現(xiàn)石英管與金屬部件（如不銹鋼）的真空封接，用于半導(dǎo)體設(shè)備。

3. 性能優(yōu)化

   • 脫羥處理：高溫（＞1100℃）真空退火，使羥基含量從 50ppm 降至 5ppm 以下，適配紅外光學(xué)；

   • 強(qiáng)化處理：化學(xué)氣相沉積（CVD）在表面形成壓應(yīng)力層，提升抗沖擊強(qiáng)度 30% 以上。

四、工藝對比與應(yīng)用場景

五、技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢

• 高端市場依賴進(jìn)口：半導(dǎo)體用氣相沉積石英管、EUV 光學(xué)元件等仍依賴進(jìn)口，國內(nèi)企業(yè)正突破氫氧焰氣煉、等離子體沉積等關(guān)鍵技術(shù)。

• 綠色生產(chǎn)：開發(fā)電熔法余熱回收技術(shù)，降低能耗（每噸石英玻璃耗電約 3000kWh）；探索無酸提純工藝，減少廢水排放。