石英玻璃的加工及退火工藝的研究

摘 要：簡要闡述了石英玻璃的種類、物理化學性質工藝特性以及在各領域的應用。石英玻璃應力從結構上分為內應力和外應力，在加工過程中應力分為暫時應力和永久應力。探討了不同石英制品在經過不同熱加工的時候在不同位置產生的應力。梳理了暫時應力和永久應力的形成機理并且研究去除暫時應力和減少永久應力的方法。最后論述使用退火爐退火石英制品時候的各項工藝步驟以及失敗案例。并通過實際的退火實驗作以驗證。

關鍵詞：石英玻璃；應力；退火

1前言

本文是針對光纖生產及課題從而進行的石英玻璃加工及退火工藝的研究，通過實踐改善石英加工制品在高溫、常溫下的穩定性，從而滿足制品在各個場合下的順利應用。

2石英玻璃制品的加工

2.1石英玻璃材料的種類

按工藝方法、用途及外觀來分類，如熔融透明石英玻璃，熔融石英玻璃，氣精透明石英玻璃，合成石英玻璃，不透明石英玻璃，光學石英玻璃，半導體用石英玻璃，電光源用石英玻璃等，分為透明和不透明兩大類。根據純度，它分為三類：高純度，普通和摻雜。

耐高溫石英玻璃帶的失透（也稱為失透）是石英玻璃的固有缺陷。石英玻璃的內能高于結晶方石英，這是一種熱力學不穩定的亞穩態。SiO2分子振動加速，并且在長時間的重排和取向之后，形成結晶。反玻璃化由核的生長速率表示。結晶主要在表面上，然后是內部缺陷。原因是這些地方容易受到污染，導致雜質離子局部積聚。特別是，堿離子（如K，Na，Li，Ca，Mg等）在進入網絡后導致粘度降低。促使失透加速。

本文討論的經過處理的石英部件僅覆蓋透明合成電容器石英玻璃。

2.2石英玻璃材料的加工

處理石英玻璃時，通常使用氫氧焰，處理溫度約為1500-1600℃。

3石英玻璃制品的應力

3.1應力的產生

我們知道玻璃是一種不良的導熱體，當一塊石英玻璃（沒有壓力），在加熱或冷卻時，由于石英玻璃的外層首先被直接加熱或開始冷卻，并且玻璃內部受熱（熱傳導將外部熱量傳導到內部）或冷卻后，因此，在石英玻璃的表面和內部產生溫差。當加熱時，直接加熱的石英玻璃的表面溫度高，并且接收熱量的石英玻璃的內部溫度低，并且加熱的石英玻璃的外層膨脹。較低溫度的內部，試圖保持其原始狀態，阻礙外層的膨脹。這樣，在石英玻璃內部發生膨脹和抗膨脹，并且由于相互作用，在石英玻璃內部產生兩種應力。一種是“壓應力”，一種是“張應力”。試圖防止石英玻璃外層向內層擴展并作用于外層的力被稱為“壓縮應力”，并且石英玻璃外層向內層擴展并作用的力統稱為石英玻璃的應力。

由于石英玻璃的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此石英玻璃的內層和外層在加熱過程中可承受較大的溫差。在燈工加工時，石英玻璃可以直接放入氫-氧火焰中加熱而不致于炸裂。相反，當加熱到500℃或更高的石英玻璃放入冷卻水中時，它容易破裂。

燈處理產生的應力分布大致如下：

1旋轉熔融的應力部位

操作者的雙手在火炬的火焰中旋轉并熔化玻璃管。由于玻璃管通過旋轉加熱，而不是處于熔融部分，應力表現為環線。

2側面熔融的應力部位

石英管的開口，側面連接和橫向內芯焊接等，石英管不旋轉，因此產生的應力的分布不同于上述。此時的應力是分布在熔融部位的四周的。

3環形接頭的應力部位

環形接頭指的是內芯的焊接。

4夾套產品兩頭密封應力部件

石英儀器護套產品有多種形式，但都是密封的。例如，正常的直冷凝管，當兩端密封時，不僅外套上的應力而且內芯上的應力也具有嚴重的應力。

應力的大小是隨著石英玻璃內外溫差和厚度的不同而不同的。溫差越大，厚度越厚，應力越大。因此去除應力尤為重要。

3.2應力的種類

石英玻璃制品中的熱應力可分為臨時應力和永久應力。

3.2.1暫時應力

暫時應力。當玻璃的溫度變化低于應變點溫度時，導熱性差，并且總熱量不均勻，從而產生一定的熱應力。這種熱應力存在溫差。這種熱應力稱為暫時應力。

需要注意的是，由于平時生產加工的石英芯棒芯層慘和著不同化學物質，極易產生受熱不均，所以在完成拼接后，使用火焰均勻棒體溫度，使其整體溫度梯度盡量平緩從而極大的消除石英芯棒的暫時應力。

3.2.2永久應力

當玻璃從應變點溫度以上冷卻時，由溫度差產生的熱應力在玻璃冷卻至室溫并且內層和外層的溫度相等之后。它不會完全消失，并且玻璃中仍然存在一定的應力。永久應力的大小取決于產品在應變點溫度以上的冷卻速率，石英玻璃的粘度，熱膨脹系數和制品的厚度。

上文提到由于工作使用的石英棒，在經過加工后，產生的永久應力已經影響到后續的加工生產。所以永久應力只能經過退火才能消除。

4石英制品的退火

通常，玻璃產品在加工后退火。退火是指在轉變溫度和應變溫度之間的熱處理過程，以消除在制造過程中產品產生的熱應力。通常，玻璃的膨脹系數越大，直徑越大，產品狀態越復雜，應力越嚴重。上文提到，接觸到的石英棒直徑大且芯棒參雜，所以需要嚴格的熱處理來去除應力。

在實際生產中，石英棒體退火，桿體內的應力不能完全消除。但是殘余量已經很少了，就是在偏光儀下也不易發現。

理論上，最高退火溫度意味著在3分鐘后可以消除應力95%；最低退火溫度是在該溫度下3分鐘的應力釋放為5%。在生產實踐中，通常使用的溫度比最高退火溫度低50℃并且比最低退火溫度高100℃。退火的方式有很多種，但主要是退火爐退火，在此我們只探討使用退火爐退火的一種情況。

根據上述退火原理，石英玻璃的退火分為四個階段：加熱階段，恒溫階段，冷卻階段，自然冷卻階段。

1加熱階段：對于石英玻璃的要求，這項工作是基于光學產品的退火要求，整個加熱過程緩慢加熱到1100°C。根據經驗，溫升為4.5/R2°C/min，其中R是石英玻璃產品的半徑。

2恒溫階段：將石英棒體達到實際最高退火溫度時候，對爐體進行恒溫處理，使制品受熱梯度趨緩各位置受熱均勻。為下一步的降溫做準備。

3降溫階段：為了在石英棒的冷卻過程中消除或產生非常小的永久應力，在該階段，應緩慢降低溫度以防止溫度梯度過大。1100°C-950°C降溫速度為15°C/小時。950°C-750°C降溫速度在30°C/小時。750°C-450°C降溫溫度在60°C/小時。

4自然冷卻階段：450°C以下斷退火爐電源而不改變保溫環境使其自然冷卻到100°C以下。100°C以下開放保溫環境，使其冷卻至室溫。

上述步驟所涉及時間溫度都是由理論結合生產實踐所得出結果。圖1為升溫或者恒溫時間過短，從而受熱不均勻而產生的失敗實驗品。

結論：在生產加工石英玻璃的過程中，無論在哪個程序，無論是暫時應力還是永久應力都存在制品中。同時，又可以“火焰”“HF”酸“退火爐”等方法去除暫時應力或者減少永久應力。去除應力對于改變石英制品的機械穩定性，光學均勻性等有著重要的作用。

參考文獻：

[1]玻璃儀器實踐上海玻璃廠匯編上海科學技術出版社1987p80-p84

[2]張武南石英玻璃退火工藝研究科技信息2010（09）P125

[3]Admas，L.HWilliamson，J.FranklinInst.Vol.（1920）.P725

作者簡介：

李延強（1984），性別：男，籍貫：天津，民族：漢，職稱：助理工程師，學歷：大專，研究方向：材料學，特種光纖研究。