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石英玻璃在光反应器中的应用

石英玻璃具有极低的热膨胀系数,高的耐温性,极好的化学稳定性,优良的电绝缘性,低而稳定的超声延迟性能,最佳的透紫外光谱性能以及透可见光及近红外光谱性能,并有着高于普通玻璃的机械性能。因此它是近代尖端技术中空间技术、原子能工业、国防装备、自动化系统,以及半导体、冶金、化工、电光源、通讯、轻工、建材等工业中不可缺少的优良材料之一。石英玻璃具有一系列特殊的物理、化学性能,因此被大家称为“玻璃王”。

石英玻璃是由纯净的天然水晶、石英石或人工合成原料经熔化而制得。自然界中的石英含量丰富,形状细小、无规则,而水晶则是无色透明结晶完整的石英,是β石英的变形体。从化学成分来看,石英玻璃属于SiO2单一组分的玻璃,只有当SiO2含量高于99.97%时,才显示为透明状。石英玻璃的性能主要由其结构决定,Si-O键的键能约为106千卡/摩尔,因此在众多氧化物中仅次于B2O3,这使得石英玻璃具有软化温度高、硬度大、化学稳定性好等特征。

1.化学性能

除氢氟酸和热磷酸以外,石英玻璃几乎不与其他任何有机酸、无机酸类物质发生化学反应,其耐酸性能几乎为陶瓷的30倍,为不锈钢的150倍,尤其是在高温下的化学稳定性,这是其他工程材料都无法比拟的。

40%的氢氟酸溶液中,石英玻璃的腐蚀速率是11.6mg/min.m2100℃条件下,48%的氢氟酸溶液对透明石英玻璃的腐蚀速率是300-700mg/h。而在热磷酸中,300℃、15个小时的腐蚀量为58g/m2500℃、15个小时的腐蚀量为79g/m2700℃、15个小时的腐蚀量将高达230g/m2

相比酸类,石英玻璃对碱类和碱性盐类的耐受性稍差,如含有一价碱金属离子K+Na+Li+等介质,因为它可能会导致可熔性硅酸盐的产生,致使石英玻璃结构受损。但低温低浓度条件下腐蚀速率较小,仍可进行短期试验,试验后需对设备冲洗完全。

对于金属氧化物来说,在800℃范围内,除PbO以外,石英玻璃实际上不受任何金属氧化物侵蚀;在800℃以上,石英玻璃会与ZnO、碱金属氧化物起反应;900℃以上,会与BaOMgOFe2O3反应;1000℃以上,会与Al2O3CaO反应。对于熔融金属来说,对石英玻璃的侵蚀性也是不同的,Li250℃以上起反应;Ca600℃以上起反应;AlMg800℃以上起反应。对于盐类来说,Na2CO3850℃仍不会反应,Na2SO4900℃才起反应,而NaNO3CaCl2800℃就会导致严重的腐蚀。

2.耐温及热膨胀性

石英玻璃的耐高温性能比其他玻璃材质都要强,它的熔化温度高于1713℃,软化温度在1580℃左右,它能承受1000℃以上的高温,且短时间还可在1450℃下使用,

通过以往对石英玻璃在高温下结构的研究和分析表明,Si-O键长与Si-O-Si键角的变化是结构谁温度变化的主要因素,两者的变化趋势和变化速率决定了材料热膨胀的不规则性。此外,Si-O-Si键角的减小,增加了硅氧四面体之间的排斥力,导致四面体发生变形,体积变小,同时四面体间隙也在减小,导致了材料的致密化,如图1-2

图1 平均键长随温度的变化曲线

1 平均键长随温度的变化曲线

图2 平均键角随温度的变化曲线

2 平均键角随温度的变化曲线

3.光学性能

石英玻璃的光学性能具有其独特之处,它可以透过远紫外光谱,是所有透紫外材料中的最佳,另外还可以透过可见光和近红外光谱,使用者可以根据需要从185-3500微米波段范围内任意选择。

在紫外部分(214.4纳米-280.3纳米)的折射率为1.4942-1.5341,在可见光部分(404.6纳米-766.5纳米)的折射率为1.4698-1.45413,在红外部分(863.0纳米-36501纳米)的折射率为1.45251-1.47454,可见其折射率是随波长的增加而下降的,如下图。

图3石英玻璃的折射率曲线

3石英玻璃的折射率曲线

图4石英玻璃的衰减曲线

4石英玻璃的衰减曲线

石英玻璃的光学性能在很大程度上取决于它的化学纯度,哪怕0.001%的杂质也会明显影响产品质量。例如,含有过渡金属杂质会导致波长向长波方向移动,而羟基的存在更是会吸收2.73μm的光带;当在石英中掺入少量TiO2后,它可以将220μm以下的紫外线全部过滤掉,由于这种紫外线能使空气中的氧转变为臭氧,它又称为无臭氧石英玻璃;当在石英玻璃中掺入少量铈、钛、铕等元素后,可以把340μm以下的短波紫外线过滤掉,用它制造的电光源对皮肤有保健作用。

由此可见,石英玻璃的耐温、耐蚀性极好,适用于大多数介质,但化学纯度会影响光学性能,因此,应合理选择原材料。

参考文献

[1] Shelby J E. J Non-Cryst Solid[J]. 2004,349:331.

[2] LR Holland.A thermal transmission function for fused silica ampoules[J].Journal of Crystal Growth,1980,49(3):426-430

[3] DB Thakur. Low-Temperature Thermal Brillouin Scattering in Fused Silica and Borosilicate Glass[J]. Physical Review Letters,1973,31(31):822-825

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