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    石英主要高端應用領域及指標要求
    來源:中國粉體技術網    更新時間:2022-12-28 15:09:20    瀏覽次數:
     
      高純石英根據其含量不同,應用領域也不同,其中含量為99.5%~99.99%為光源行業,含量高于99.99%用于高端光學器件、激光器件,含量為99.995%~99.9999%用于半導體、光伏等產業。
      
      1、半導體行業
      
      我國出臺了一系列的行業標準,如《半導體用透明石英玻璃管》《半導體用透明石英玻璃器件》《半導體用透明石英玻璃棒》《太陽能電池硅片用石英舟》《太陽能電池硅片用石英玻璃擴散管》。太陽能電池硅片用石英舟、石英玻璃擴散管應滿足T級產品的質量要求。對于半導體坩堝,鋁含量應更低,規定為小于1×10-5,其他金屬小于1×10-7,總雜質不超過1.5×10-5。用于光伏行業的太陽能硅原料中硼和磷的含量一般應在1×10-6范圍內,因為這些元素最難去除,并對太陽能電池的性能產生負面影響。
      
      芯片制造主要由單晶生長、晶圓加工制造、集成電路晶圓的生產以及后期封裝四個部分組成。單晶生長需要用到石英坩堝和石英器件。晶圓加工部分刻蝕、擴散、氧化、退火等步驟中需要用到大量的輔材石英玻璃,如石英片、石英環、石英舟等高純度石英制品,其中擴散步驟是在1000℃左右的石英爐管中將元素硼、磷等擴散入硅片。石英坩堝的缺陷將極大影響最終產品的質量,主要缺陷分為間隙氧缺陷與雜質缺陷。間隙氧是傳統捷克拉斯基法的硅單晶中的主要雜質,晶體含氧含量比相應的熔體含氧濃度高出約1.3~1.4倍。石英坩堝的雜質直接會影響坩堝的力學性能、電阻率分布、單晶的純度,當鋁含量過高時,單晶純度將會降低;當鈉、鉀等含量過高時,石英坩堝的熔點降低,高溫性能變差,雜質過高還會使得石英坩堝在高溫下生成方石英,膨脹系數與體積的改變使得坩堝機械性能急劇下降,影響生產進行。在追求更高的硅片性能時,輔材質量與要求也將隨之提高,如擴大石英坩堝的半徑、提高其純度、降低結構缺陷等。
      
      太陽能石英坩堝是光伏產業所用的消耗品,是拉大直徑單晶和多晶硅制品的消耗性容器,使用溫度大約1500℃并且使用次數只有一次,單晶硅中雜質例如C、N、O等會嚴重影響電池的電學性能,而雜質來源于硅原料、石英坩堝以及石墨加熱器件,通過石英坩堝表面涂覆Si3N4、CaCl2、SrCl2和BN可明顯減少其中的雜質。與多晶硅電池相比,單晶硅生產成本高、效率高。陶明頓等將石英原料經礦物提純后生產出用于半導體晶體生長的高純石英器件,SiO2含量≥99.998%,金屬雜質總含量≤2×10-5,羥基含量≤2×10-6,1200℃下保溫24h變形率小于1.0%。
      
      2、光纖行業
      
      通信行業是“信息產業高速公路”,以高純石英制造的石英光纖作為信息的高速智能“管道”,將為工業4.0及互聯網+提供基礎保障。石英光纖廣泛用于通信領域、微電子和光電子器件領域,與電纜線或者銅線作為傳輸媒介相比,石英光纖具有更強的抗電磁波干擾能力、抗腐蝕能力、更優異的頻帶寬和容量、資源損耗更少的特點。
      
      根據制作材料不同,石英玻璃光纖可分為純石英玻璃光纖和摻雜石英光纖。摻雜石英光纖主要有稀土摻雜石英光纖、摻氟石英光纖和摻氮石英光纖等,稀土摻雜光纖具有良好的激光性能,摻氟石英光纖和摻氮石英光纖具有耐輻射性能,通過調整光纖的結構設計、折射率分布、摻雜工藝、預輻照處理、輻照后處理等,可以改善其抗空間輻射性能。因此,光纖不僅應用于傳統的通信領域,還會應用在特殊高能的輻射環境,如聚變反應堆的內部檢測、航空航天中高度分布式數據網絡的放大器、光纖陀螺的寬帶超級發光源、提供裂變反應堆的信號的光纖激光器等。石英光纖的性能受到光纖材料的本征缺陷、摻雜缺陷和形貌損傷的影響,其中本征點缺陷如氧空位中心(ODC)、過氧鏈缺陷(POL)、色心、非橋氧缺陷中心(NBOHC)和過氧自由基(POR)等,摻雜缺陷如材料中引入金屬元素或者非金屬H、F元素等,形貌損傷是表面缺陷如微裂紋等。本征缺陷與溫度有關,摻雜缺陷與雜質有關,雜質引起的吸收損耗將會導致傳輸損耗大和傳輸效率低。因此提高石英光纖材料的純度,可提高其傳輸效率。除此之外,對光纖進行表面涂層處理,可以極大提高石英光纖的光學性能、力學性能和抗腐蝕性能等。
      
      3、光學、光源領域
      
      光學石英玻璃具有耐高溫、耐腐蝕、膨脹率低等特點,被廣泛用于光學領域,高純石英玻璃用于生產望遠鏡透鏡和實驗室光學設備、通信設備、衍射透鏡、投影顯示器、掃描設備和打印機的光學、激光、以及照相機和超平面電視屏幕、火焰控制設備等。
      
      高功率激光驅動器是開展高能量的密度物理和激光約束聚變試驗的必要器件,核心單位是終端光學組件,承擔著頻率轉換、聚焦、諧波分離等功能,終端光學組件都需要各種各樣的石英元件,包括各種透鏡、光束取樣光柵、連續相位板等。
      
      電光源玻璃按照化學成分可分為鉀鈣玻璃、含鉛硅玻璃、含硼硅玻璃、含鋁硅玻璃和石英玻璃等,以高純度石英玻璃的為原料生產電光源產品有高壓汞燈、金屬鹵化物燈、鹵塢燈、氙基燈、汽車燈等,可以承受高溫,并提供高透射特性。為了保證石英玻璃管的質量,需要減少羥基數量與原料中的雜質含量,特別是降低原料的堿金屬離子,因為羥基與堿金屬離子會降低玻璃的熱性能,每增加1×10-5羥基含量,將降低使用溫度0.5℃左右。對緊湊型熒光燈CFL和冷陰極突光燈CCFL以水銀作為點燈介質,氧化鈉會與水銀發生反應生成汞鈉齊,水銀消耗太多會降低使用壽命,因此,原材料中需要降低氧化鈉的含量。而目前的研發趨勢是低鈉無鉛玻璃,是綠色照明燈使用材料,有利于環境保護。
      
      4、航空航天領域
      
      石英陶瓷材料具有優良的介電、熱學和力學等綜合性能,石英陶瓷可用在航天飛行器的隔熱材料、火箭發動機的噴嘴、頭部及前室等部位、導彈天線罩、在核燃料的基質(SiO2-UO體系)和輻射屏蔽陶瓷材料。石英陶瓷天線罩需要具有良好的透波性能,保證電磁信號的正確傳輸,也需要耐熱、抗蝕等性能。
      
      近些年來我國航空航天事業不斷發展,也為石英類新材料提供了新的重要關鍵應用途徑,其中有代表性的一種,是近年來才得到長足發展的作為高溫合金零件鑄造的模型材料。為了提高發動機進口端承溫性能,世界上許多發達國家已經將發動機葉片的結構從實心葉片改良成空心葉片,從原來的多晶粒改良成了現在的單晶粒葉片。各種類型的陶瓷輔材被發明并得到了廣泛運用,保證了鑄造出的空心葉片內部表面非常光滑、尺寸精度高、缺陷存在幾率低,提高了質量水平,降低了不必要損失。在精密鑄造領域,熔融石英可以作為輔材原料制做陶瓷型芯、型殼和各種陶瓷輔材等。熔融石英具有抗蠕變能力強、易充型和脫除等特點,而且熔融石英價格比鋯石便宜,且密度低、雜質低,因此相同體積的型殼所用的原材料的質量小,成本更低。2001年美國耐火材料公司制造型殼的配方中含有大量石英,具體為(質量分數):鋁-硅系耐火材料55%,熔融石英30%,剛玉9%,鋯石6%。歐美發達國家空心葉片90%采用硅基陶瓷型芯,可以用來制造單晶空心葉片,使用溫度可以達到1650℃。
      
      在氧化硅基陶瓷型芯的制備過程中,需要注意其體積變化,控制在1%以下最合適。否則,模具與型芯所要求的形狀規格差距太大,會降低成品率,影響葉片的形狀與尺寸,也會增加后續機械打磨的難度。從以下四個角度入手去調控硅基陶瓷型芯的性能:
     ?。?)原料的純度、粒度級配對型芯性能的影響。氧化硅基陶瓷型芯的原料為石英玻璃,其純度、粒度級配對型芯的高溫抗折、室溫強度、收縮率等性能均具有較大的影響。石英中雜質(如鉀、鈉、鈣、鐵等)的含量需要控制在一定程度,否則會產生過多玻璃相,極大地降低型芯的高溫性能;
     ?。?)礦化劑與高溫添加劑對產品性能的影響。礦化劑在促進燒結的同時能夠形成一定的高溫穩定相,此外,加入一些耐高溫材料(如莫來石、硅酸鋯、氧化鋯等)同樣能夠明顯提升高溫性能;
     ?。?)燒結制度主要包括100~200℃排水蒸氣、300~400℃左右排蠟、600與900℃晶型轉變與1100~1200℃終燒四個階段。主要的燒成制度優化研究工作集中在第四個溫度階段,通過調整終燒溫度與時間來調節高溫抗折、室溫強度、收縮率等性能。這是因為燒結過程中方石英的含量可提高高溫性能,其含量主要受到終燒燒結制度的影響,方石英的熔點為1700℃左右,耐高溫性能好,但是在300℃左右,方石英會發生晶型轉變,體積發生變化,因此過多的方石英會降低制品的室溫強度;
     ?。?)強化工藝對制品綜合性能的影響。方石英含量過多會造成制品室溫強度大幅度下降,需對其進行室溫強化提高室溫強度。室溫強化是指通過調配合適的樹脂(如酚醛樹脂、環氧樹脂等),涂抹在制品表面降低表面微裂紋而增高其性能;預計通過強化處理處理,制品的室溫抗折與高溫抗折性能均可提高一倍。
      
      資料來源:《歐陽靜,陳廣,梁力行,等.石英礦物資源的提純及在戰略性新興產業中的應用技術分析[J].礦產保護與利用,2021(06):35-45》,由【粉體技術網】編輯整理,轉載請注明出處!
      
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