石英玻璃是由二氧化硅單一組分構成的特種工業技術玻璃，具有普通玻璃無可比擬的一系列優異性質，被新材料領域專家譽為“玻璃之王”，是現代信息產業、光學、光伏、半導體等國家戰略性新興產業和航空航天等國防領域的重要基礎性材料。
圖片來源：太平洋石英
1石英玻璃的結構特點
純凈的石英玻璃由單一的二氧化硅（SiO2）成分構成，石英玻璃中的Si-O鍵呈短程有序、長程無序的排列狀態，由于Si-O鍵的鍵能較強且較為穩定，因此石英玻璃具有較高的軟化溫度、極佳的光譜透過性、極低的熱膨脹系數和電導率、極高的化學穩定性、耐輻照性以及在極端條件下較長的工作壽命等特點。
石英玻璃原子結構示意圖
2石英玻璃的性質和應用
（1）光學性能
石英玻璃具有一系列優異的光學性能。與普通玻璃相比，高純石英玻璃具有從遠紫外（160nm）到遠紅外（5μm）極寬光譜內的良好透過性，這是一般光學玻璃所不具備的。優異的光譜透過性和光學均勻性使得石英玻璃廣泛應用于半導體光刻和精密光學器件領域。
此外，石英玻璃具有良好的耐輻照性能，耐輻照石英玻璃已經廣泛用作“神舟”系列宇宙飛船的窗口材料，“天宮”系列空間實驗室關鍵部件的防護罩等。
石英視窗（圖片來源：菲利華）
（2）機械性能
石英玻璃和普通玻璃類似，屬于脆硬材料。與普通玻璃相同，石英玻璃的強度參數受很多因素影響，包括表面狀態、幾何形狀和測試方法等。透明石英玻璃的抗壓強度一般為490~1960MPa，抗拉強度為50~70MPa，抗彎強度為66~108MPa，抗扭強度約為30MPa。
（3）電學性能
石英玻璃是優良的電絕緣材料。與普通玻璃相比，石英玻璃有著較高的電阻率，常溫下石英玻璃的電阻率高達1.8×1019Ωcm。此外，石英玻璃有著較高的擊穿電壓（約為普通玻璃的20倍）以及較低的介電損耗。石英玻璃的電阻率隨著溫度升高略有下降，不透明石英玻璃的電阻率低于透明石英玻璃。
（4）熱學性能
由于石英玻璃內部幾乎全部為較強的Si-O鍵作用，它的軟化溫度非常高，長期工作溫度可達1000℃。另外石英玻璃的熱膨脹系數是常見工業玻璃之中最低的，其線膨脹系數可達5×10-7/℃，經過特殊處理的石英玻璃甚至可以達到零膨脹。石英玻璃還具有非常好的抗熱振性，即在短時間內反復經歷極大的溫差也不會開裂。這些優良的熱學特性使得石英玻璃在高溫和極端工作環境中有著其他玻璃不可替代的地位。
晶圓承載環（圖片來源：菲利華）
高純的石英玻璃可以應用在半導體行業的芯片制造、光纖制造的輔材、工業高溫爐的觀察窗、大功率電光源以及航天飛機表面充當隔熱層等。極低的熱膨脹系數還使得石英玻璃可以應用于精密儀器、大型天文望遠鏡的鏡頭材料等。
（5）化學性能
石英玻璃的化學穩定性非常好。不同于其他的商業玻璃，石英玻璃對水有著極高的化學穩定性，因此可以應用在對水的純度要求極高的水蒸餾器中。石英玻璃具有優良的耐酸性和耐鹽性，除氫氟酸、磷酸和堿性鹽溶液外，與大多數酸和鹽溶液都不發生反應。與酸和鹽溶液相比，石英玻璃的耐堿性較差，在高溫下會與堿溶液反應。除此之外，石英玻璃和大多數氧化物、金屬、非金屬以及氣體等在常規溫度下都不反應。極高的純度和良好的化學穩定性使得石英玻璃可以應用在半導體制造業等對生產條件要求較高的環境中。
石英鐘罩（圖片來源：菲利華）
3石英玻璃制備方法
石英玻璃的制備方法可以分為兩大類。第一類是以天然石英晶體或硅石為原料進行熔制得到，稱為天然石英玻璃。根據熱源和工藝的不同可以將第一類方法細分為電熔法，氣煉法，等離子體熔制法等。第二類是以含硅化合物（包括鹵化硅，氫化硅及有機硅等）為原料通過化學反應合成得到，稱為合成石英玻璃，根據反應原理的不同可以將第二類方法分為：等離子體化學氣相沉積法（PCVD）、火焰水解沉積法（FHD）、溶膠-凝膠法。
高純石英玻璃制備方法
以下簡單介紹兩種典型的制備方法。
電熔法和兩步CVD法制備石英玻璃錠的流
（1）電熔法
在電熔法中，首先通過電加熱（電阻加熱或電磁感應加熱）將坩堝內的粉末狀石英原料進行熔化，隨后經過快速冷卻的玻璃化過程形成石英玻璃。
采用電熔法制備的石英玻璃，其品質主要取決于原料的純度。石英原料中的金屬雜質通常很難去除，因此電熔石英玻璃中的金屬雜質一般含量較高且難以控制。通過烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用電熔法可以制備出羥基含量較低的石英玻璃。
（2）兩步CVD法
兩步CVD法，即“兩步法”氣相沉積法，該方法可分為兩步，第一步是在較低的溫度下進行水解反應，此時生成的SiO2顆粒呈煙灰狀，SiO2顆粒沉積在基板上首先得到SiO2疏松體，該疏松體是一種多孔結構的無定形SiO2。第二步將制得的SiO2疏松體轉移到高溫加熱爐內進行脫羥，然后經過燒結和冷卻過程最終制得石英玻璃。
采用兩步化學氣相沉積（CVD）法制備高純石英玻璃錠是國內近年來著力發展的新技術，其優勢在于可以生產出低羥基或羥基含量可控的石英玻璃，從本質上避免了金屬雜質的引入，因此具有廣闊的發展前景。但是兩步CVD法目前仍面臨著一系列技術挑戰，主要表現在制備工藝不成熟、對制備過程中的關鍵科學問題認識不足等，限制了其成為工業中制備石英玻璃的主流技術。此外，石英玻璃制備工業還存在著玻璃氣泡缺陷以及產品熱改型過程難以控制等難題，造成石英玻璃的質量無法得到有效保障。
參考來源：
【1】馬千里.高純石英玻璃制備過程的研究和工藝優化.2020.
【2】聶蘭艦，等.高性能光學合成石英玻璃發制備和應用.光學精密工程.2016.
【3】菲利華官方網站
