石英玻璃的主要生产工艺

石英玻璃的核心生产工艺解析

一、原料准备：纯度决定品质

1. 石英砂提纯

   • 天然砂精选：优选高纯度石英砂（如安徽天柱山 4N 级砂，SiO₂≥99.9%），剔除长石、云母等杂质矿物。

   • 物理选矿：通过磁选（去除 Fe、Ti 等磁性杂质）、浮选（分离长石）和水洗（去除泥沙）提升纯度。

   • 化学提纯：酸浸工艺（HCl/HF 混合酸）去除金属氧化物，使杂质含量＜10ppm，满足半导体级需求。

2. 合成石英砂（高端场景）

   • 通过四氯化硅（SiCl₄）气相水解生成高纯 SiO₂粉末，纯度可达 99.999%，用于光纤预制棒等精密领域。

二、熔融成型工艺

1. 电熔法（最常用工艺）

• 设备：电阻炉或电弧炉，温度控制在 1700-2000℃。

• 流程：

  1. 石英砂投入坩埚，通电熔融成液态；

  2. 通过拉管、吹制或压制模具，成型为管、棒、板等形状；

  3. 退火处理：缓慢降温至室温（耗时数十小时），消除内应力，避免开裂。

• 特点：

  • 适合大规模生产普通石英玻璃（如加热管、实验室器皿）；

  • 成本较低，但气泡、杂质控制难度高，纯度通常为 99.6-99.9%。

2. 气炼法（高纯度工艺）

• 设备：氢氧焰熔炉，以 H₂+O₂燃烧提供高温（＞2000℃）。

• 流程：

  1. 石英砂颗粒通过料斗下落，经氢氧焰熔融；

  2. 熔融液滴在旋转靶棒上逐层堆积，形成透明玻璃锭；

  3. 后续加工：切割、研磨成光学元件或半导体用管。

• 特点：

  • 熔融过程中杂质挥发充分，纯度可达 99.99% 以上；

  • 适合生产大尺寸光学玻璃（如激光窗口、光谱仪棱镜）。

3. 气相沉积法（超精密工艺）

• 原理：利用 SiCl₄、SiH₄等气体在高温下分解，沉积生成高纯 SiO₂。

• 分类：

  • MCVD（Modified Chemical Vapor Deposition）：
    石英管旋转加热，气体通入后沉积在内壁，形成多层透明玻璃，用于光纤预制棒芯层。

  • PCVD（Plasma Chemical Vapor Deposition）：
    微波激发等离子体，加速气体反应，沉积效率更高，适合制备低羟基（OH⁻≤5ppm）石英玻璃。

• 特点：

  • 纯度达 99.999% 以上，羟基含量极低，是光通信、极紫外（EUV）光刻设备的核心工艺；

  • 技术门槛高，设备昂贵，全球仅少数企业（如日本信越、德国贺利氏）掌握。

三、后加工处理：赋予功能性

1. 光学加工

   • 研磨抛光：用金刚石磨料将石英玻璃表面粗糙度降至 Ra≤0.1μm，用于光学透镜、比色皿；

   • 镀膜：镀增透膜（如 MgF₂）提升紫外 / 红外透光率，或镀反射膜用于激光腔体。

2. 精密加工

   • 激光切割：用 CO₂激光或皮秒激光切割异形件（如螺旋管、毛细管），精度达 ±0.02mm；

   • 扩口与封接：通过火焰熔融实现石英管与金属部件（如不锈钢）的真空封接，用于半导体设备。

3. 性能优化

   • 脱羟处理：高温（＞1100℃）真空退火，使羟基含量从 50ppm 降至 5ppm 以下，适配红外光学；

   • 强化处理：化学气相沉积（CVD）在表面形成压应力层，提升抗冲击强度 30% 以上。

四、工艺对比与应用场景

五、技术挑战与趋势

• 高端市场依赖进口：半导体用气相沉积石英管、EUV 光学元件等仍依赖进口，国内企业正突破氢氧焰气炼、等离子体沉积等关键技术。

• 绿色生产：开发电熔法余热回收技术，降低能耗（每吨石英玻璃耗电约 3000kWh）；探索无酸提纯工艺，减少废水排放。