石英玻璃化学性能

石英玻璃化学性能石英玻璃具有高度的化学稳定性，除氢氟酸和热磷酸外，不仅在常温下，而且在高温下也耐各种酸、王水、中性盐、硫和碳的侵蚀，化学稳定性比镍铬合金和陶瓷大150倍，是最好的耐酸材料。石英玻璃属酸性物质，在耐碱性与乃耐碱性盐方面比较差，能与此类型试剂生成可溶性硅酸盐，故不适用于制造强碱性反应的仪器。在800oC以下，除PbO以外，石英玻璃实际上不受金属氧化物侵蚀；800oC以上与ZnO、R2O(R表示碱金属)起反应；900oC以上与BaO、MgO、Fe2O3起反应。1000oC以上与AI2O3、CaO起反应。熔融金属对石英玻璃的侵蚀性是不同的，对Ag、Au、Cd、Hg、Pt、Mo、Sn、W、Zn耐侵蚀，与Ca在600oC以上起反应，与Al、Le、Mg在800oC以上起反应，而与Li在250oC以上即起反应。硅对石英玻璃有侵蚀，而碳在1800oC以上与石英玻璃起反应，在850oC以下，石英玻璃与Na2CO3不起反应，900oC以下，石英玻璃与Na2So4起反应，而在800oC时硝酸钠、无水硼砂、氯化钙强烈侵蚀石英玻璃。在常温下，石英玻璃对水是稳定的，即使在高温高压下，水对石英玻璃的侵蚀也是很小，在100个大气压和310oC下与水作用3小时，石英玻璃的失重仅为1.13克/米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(oC)侵蚀时间(小时)重量损耗(克/米2)透明石英玻璃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%222259.39379.80磷酸20015微量3001558.00氢氧化钠1%10120.805.15氢氧化钾1%9820.684.63氢氧化铵25%6520.090.33氯化钠10%10220.140.34碳酸钠10%10221.204.99石英光学玻璃性能石英玻璃的光学性能有其独特之处，它可以透过远紫外光谱，是所有透紫外材料最优者，可透过可见光和近红外光谱，用户可以根据需要，从185-3500μm波段范围内任意选择所需品种。折射率石英玻璃的折射率很小，透明石英玻璃的折射率ND=1.45845，光学石英玻璃在20oC之标准值ND=1.4586±4×10-4。在紫外部分（214.4纳米-280.3纳米）的折射率为1.5341-1.4942；在可见光部分（404.6纳米-766.5纳米）为1.4698-1.45413；在红外部分（863.0纳米-36501纳米）为1.45251-1.47454，随波长增加而折射率下降。谱线符号波长（nm）发射元素光谱色折射率A768.5K红C656.3H红1.45646D589.3Na黄1.45845d587.6He黄1.45857e546.1Hg绿F486.1H浅蓝1.46324g435.8Hg浅蓝G‘434.1H蓝h404.7Hg紫平均色散Nf-Nc=0.00674±3×10-5色散系数（阿贝数）：γ=（ND-1）/（NF-NC）=68透光性透明石英玻璃具有优良的红外与紫外透过性。普通石英玻璃中由于含有羟基在红外光谱中2.73微米处有一个主吸收峰与两个谱波，为了减少羟基，目前公司采用真空加压或无氢火焰熔制光学石英玻璃。紫外线的透过率对石英玻璃中的杂质，特别是铁含量有关系，低铁量石英玻璃可作为透紫外石英玻璃。折射率见下表波长（μm）折射率波长（μm）折射率波长（μm）折射率波长（μm）折射率0.201.547270.481.463180.801.4533712.001.4381740.251.507450.551.460130.901.4518082.401.4317300.301.485940.591.458451.01.4504732.801.4238910.341.478670.651.456401.301.4469803.101.416940.401.469680.701.455171.601.4434923.501.40601光谱透过率：厚度1mm波长(nm)透过率（%）透过率（%）透过率（%）Type1802303601700001804000190550020065002208050240824422608683428090900300929103209291034092925360929226380929265400929281420929288440-2000929291250092929227009090903000919191350088888840007373734500353535其它厚度光谱透过率可以用公式推导：T=(1-R)2e-atT：透过率R：单反射损耗。e：自然对数基数。t：厚度（cm）光谱透过性能光谱透过率受三个因素影响：反射，散射和吸收。石英玻璃管的反射一般为8%，紫外区大一些，红外区小一些。所以石英玻璃的透过率一般不大于92%。石英玻璃的散射比较小，一般可以忽略。光谱吸收和石英玻璃的杂质含量和生产工艺有密切的关系；在低于200钠米波段的透过率的高低，代表金属杂质含量的多少；240钠米的吸收表示缺氧结构的多少；可见波段的吸收是由于过渡金属离子的存在造成的，2730钠米的吸收是羟基的吸收峰，可以用于计算羟基含量。用光谱吸收羟基计算的方法：A、GE公司的计算公式：C=910/T*LOG10（Ta/Tb）mm-1C：羟基含量（C，ppm）T：厚度（mm）Ta：2600钠米波长的透过率Tb：2730钠米波长的透过率B、中国的国家标准计算公式：C=96.5/d*LG10（Ia/I）mm-1C：羟基含量（ppm）d：厚度(cm)Ia：2730钠米基线到零线的距离（mm）I：2730钠米吸收峰到零线的距离（mm）原料和制造方法对折射率和色散率影响不大。羟基含量增加0.001%（重量），也就是增加1*10-5，折射率大约降低1*10-6。如果含水量从零变到合成石英玻璃的最大含水量，则折射率将发生140*10-6的变化。相关概念：折射率：光通过界面时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，称为折射率。一般所指的折射率通指用钠灯D线（589.3nm）从空气（或真空）进入介质的测量值。石英玻璃是二氧化硅单一成份的玻璃，通常分为透明石英玻璃和不透明石英玻璃（熔融石英）两大类。透明石英玻璃只有极少量气泡，有相当高的光学均匀性和透明度，由水晶或四氯化硅为原料，经高温熔制而成,SiO2含量在99.95%以上，高纯石英玻璃喊99.999%以上，不透明石英玻璃是脉石英、石英砂为原料，经高温熔制而成，含SiO299.5%以上。由于石英玻璃是由单纯（SiO4）四面体组成的网络骨架，而硅氧气键强很大，结构紧密，故机械强度、耐热性能很高，热膨胀系数很小，化学稳定性也很好，同时，粘度大，软化点也很高，由于网络中无填隙的阳离子，所以密度小、导电率、介质损失也很小。机械性能单位透明石英玻璃泊松比0.17弹性摸数克/厘米26.2-7.2×105抗压极限千克/厘米211700抗拉极限千克/厘米2500注：上表为参考值。相关概念泊松比：物体伸长时，在垂直于伸长方向出现横向收缩。相对伸长值为△l/l，而相对横向收缩值为△d/d，则两者之间的比值称为泊松比μ=(△d/d)：(△l/l)。弹性模数（弹性模量，杨氏模量）：应力增加与应变增加之比值。例如：符合虎克定律的弹性体，在承受轴向拉力或压力时，在弹性范围内表达应力和应变比值的一个材料常数即为弹性常数，E=σ/ε。抗压极限：能引起玻璃体破坏的压缩应力称之为玻璃的抗压缩极限。抗拉极限：能引起玻璃体破坏的拉应力称之为玻璃的抗拉极限（或抗张极限）。石英玻璃的理论强度一般远远高出其实际强度。如抗拉极限，理论计算为246×103千克/厘米2，实际约500千克/厘米2。这主要是由于加工的石英玻璃存在一些缺陷。如：表面微裂纹，气泡，杂质，应力未消除等。石英玻璃的机械性能比硬质玻璃和陶瓷都好，新拉的无缺陷石英玻璃纤维强度为24100×106帕，直径不大的石英管及石英玻璃设备可耐很大的压力，石英玻璃制品中如有宏观缺陷，如气泡、外来杂物、熔化不均匀及存在的残余应力，都会影响其强度，使其降低。石英玻璃强度开始随温度而增加，到一定温度后，反而随温度升高而降低，透明石英玻璃由室温升高到900oC，抗张强度约增加一倍，抗冲击强度显示出最大值热膨胀系数石英玻璃的热膨胀系数仅为普通玻璃的1/10—1/20，石英玻璃的纯度对膨胀系数有影响，一般透明石英玻璃的线膨胀系数(0-1000oC)为5.4×10-7，，不透明石英玻璃为5.5×10-7，高纯合成石英玻璃为4.9×10-7(0-200oC)-5.0×10-7(5-35oC)。石英玻璃在不同温度下的线膨胀系数温度(oC)10020030040050060070080010001200线膨胀系数(×10-7)5.105.856.276.356.126.005.715.625.565.42在石英玻璃中加入适量TiO2后，其膨胀系数仅为普通石英玻璃的1/25，及零膨胀。这主要是因为Si与Ti之间的O产生较强烈的横向振动促使阳离子互相接近，因而膨胀系数变小。随着TiO2的加入，膨胀系数可达到负值。耐热性由于石英玻璃线膨胀系数极小，故具有很高的耐急冷急热性，透明石英玻璃在电炉中于1100oC下灼热15分钟，然后投入冷水中，可以经受3-5次循环而不破裂；不透明石英玻璃在800oC下灼热5分钟，投入20oC水中，可以经受5次循环而不破裂。石英玻璃的软化点很高，透明石英玻璃为1730oC，所以石英仪器的连续使用温度为1100oC-1200oC，短时间可在1450oC使用。石英玻璃的几个温度常数温度(oC)状态温度(oC)状态1100长时间使用温度1750在炉子中熔融并熔化1000-1075玻璃应变点（粘度Logη=14.5）1800下限操作温度，5分钟挥发1%，蒸气压为0.1mmHg1070-1180玻璃退火点（粘度Log=13.0）2000操作温度，5分钟挥发20%，蒸气压为0.4mmHg1200-1470晶体快速生长温度范围2500上限操作温度，5分钟挥发40%，蒸气压为10mmHg1600开始被碳还原成碳化硅及硅3000氧一乙炔加热，蒸气压为100mmHg1580-1730玻璃软化点（Logη=7.6）3500沸腾点，蒸气压为760mmHg1710很低的真空成型温度，白硅石软化为熔融石英石英玻璃比热透明石英玻璃的平均比热随温度而升高石英玻璃导热系数石英玻璃的导热系数（千卡/米.时.oC）温度范围oC平均比热(卡/克oC测定温度oC0100200400600800100012000-1000.1845透明石英玻璃1.191.321.421.611.741.851.972.090-5000.2302不透明石英玻璃1.071.241.391.631.811.921.982.050-9000.2512相关概念黏度：使相距一定距离的两个平行平面以一定相对速度相对移动所需的力表示。黏度为1帕（斯卡）秒就是两个平面的面积各为1m2，距离1米，以1米/秒的速度相对运动时，所需的力为1牛顿。1帕秒=10泊，或1分帕秒（dPaS）=1泊。石英玻璃气体扩散与渗透性能由于石英玻璃网络结构中有很多不规则的空隙，使许多气体有可能进行扩散和渗透，特点是原子直径比较小的气体如氦、氖、氢等在石英玻璃中渗透性比较大，而氮、氧等原子比较大,活度比较小的气体，即使在600-700oC温度下，在石英玻璃中渗透扩散是较低的，故石英玻璃可作10-5-10-6mmHg负压和加热情况下的操作器皿，可用在高温真空设备中。离子在石英玻璃的扩散系数离子扩散系数透明石英玻璃不透明石英玻璃Na+2×10-45×10-5Ca2+2×10-8Al3+10-1210-12Ag+10-510-7注：在1100oC下的扩散系数（单位为：cm2/秒）石英玻璃容器连续抽真空所能得到的最高真空度真空度温度20℃900℃透明石英玻璃3.7×10-67.0×10-6不透明石英玻璃1.0×10-5