石英玻璃的加工及退火工艺的研究

摘 要：简要阐述了石英玻璃的种类、物理化学性质工艺特性以及在各领域的应用。石英玻璃应力从结构上分为内应力和外应力，在加工过程中应力分为暂时应力和永久应力。探讨了不同石英制品在经过不同热加工的时候在不同位置产生的應力。梳理了暂时应力和永久应力的形成机理并且研究去除暂时应力和减少永久应力的方法。最后论述使用退火炉退火石英制品时候的各项工艺步骤以及失败案例。并通过实际的退火实验作以验证。

关键词：石英玻璃；应力；退火

1前言

本文是针对光纤生产及课题从而进行的石英玻璃加工及退火工艺的研究，通过实践改善石英加工制品在高温、常温下的稳定性，从而满足制品在各个场合下的顺利应用。

2石英玻璃制品的加工

2.1石英玻璃材料的种类

按工艺方法、用途及外观来分类，如熔融透明石英玻璃，熔融石英玻璃，气精透明石英玻璃，合成石英玻璃，不透明石英玻璃，光学石英玻璃，半导体用石英玻璃，电光源用石英玻璃等，分为透明和不透明两大类。根据纯度，它分为三类：高纯度，普通和掺杂。

耐高温石英玻璃带的失透（也称为失透）是石英玻璃的固有缺陷。石英玻璃的内能高于结晶方石英，这是一种热力学不稳定的亚稳态。SiO2分子振动加速，并且在长时间的重排和取向之后，形成结晶。反玻璃化由核的生长速率表示。结晶主要在表面上，然后是内部缺陷。原因是这些地方容易受到污染，导致杂质离子局部积聚。特别是，碱离子（如K，Na，Li，Ca，Mg等）在进入网络后导致粘度降低。促使失透加速。

本文讨论的经过处理的石英部件仅覆盖透明合成电容器石英玻璃。

2.2石英玻璃材料的加工

处理石英玻璃时，通常使用氢氧焰，处理温度约为1500-1600℃。

3石英玻璃制品的应力

3.1应力的产生

我们知道玻璃是一种不良的导热体，当一块石英玻璃（没有压力），在加热或冷却时，由于石英玻璃的外层首先被直接加热或开始冷却，并且玻璃内部受热（热传导将外部热量传导到内部）或冷却后，因此，在石英玻璃的表面和内部产生温差。当加热时，直接加热的石英玻璃的表面温度高，并且接收热量的石英玻璃的内部温度低，并且加热的石英玻璃的外层膨胀。较低温度的内部，试图保持其原始状态，阻碍外层的膨胀。这样，在石英玻璃内部发生膨胀和抗膨胀，并且由于相互作用，在石英玻璃内部产生两种应力。一种是“压应力”，一种是“张应力”。试图防止石英玻璃外层向内层扩展并作用于外层的力被称为“压缩应力”，并且石英玻璃外层向内层扩展并作用的力统称为石英玻璃的应力。

由于石英玻璃的抗压强度远大于抗拉强度，因此石英玻璃的内层和外层在加热过程中可承受较大的温差。在灯工加工时，石英玻璃可以直接放入氢-氧火焰中加热而不致于炸裂。相反，当加热到500℃或更高的石英玻璃放入冷却水中时，它容易破裂。

灯处理产生的应力分布大致如下：

1旋转熔融的应力部位

操作者的双手在火炬的火焰中旋转并熔化玻璃管。由于玻璃管通过旋转加热，而不是处于熔融部分，应力表现为环线。

2侧面熔融的应力部位

石英管的开口，侧面连接和横向内芯焊接等，石英管不旋转，因此产生的应力的分布不同于上述。此时的应力是分布在熔融部位的四周的。

3环形接头的应力部位

环形接头指的是内芯的焊接。

4夹套产品两头密封应力部件

石英仪器护套产品有多种形式，但都是密封的。例如，正常的直冷凝管，当两端密封时，不仅外套上的应力而且内芯上的应力也具有严重的应力。

应力的大小是随着石英玻璃内外温差和厚度的不同而不同的。温差越大，厚度越厚，应力越大。因此去除应力尤为重要。

3.2应力的种类

石英玻璃制品中的热应力可分为临时应力和永久应力。

3.2.1暂时应力

暂时应力。当玻璃的温度变化低于应变点温度时，导热性差，并且总热量不均匀，从而产生一定的热应力。这种热应力存在温差。这种热应力称为暂时应力。

需要注意的是，由于平时生产加工的石英芯棒芯层惨和着不同化学物质，极易产生受热不均，所以在完成拼接后，使用火焰均匀棒体温度，使其整体温度梯度尽量平缓从而极大的消除石英芯棒的暂时应力。

3.2.2永久应力

当玻璃从应变点温度以上冷却时，由温度差产生的热应力在玻璃冷却至室温并且内层和外层的温度相等之后。它不会完全消失，并且玻璃中仍然存在一定的应力。永久应力的大小取决于产品在应变点温度以上的冷却速率，石英玻璃的粘度，热膨胀系数和制品的厚度。

上文提到由于工作使用的石英棒，在经过加工后，产生的永久应力已经影响到后续的加工生产。所以永久应力只能经过退火才能消除。

4石英制品的退火

通常，玻璃产品在加工后退火。退火是指在转变温度和应变温度之间的热处理过程，以消除在制造过程中产品产生的热应力。通常，玻璃的膨胀系数越大，直径越大，产品状态越复杂，应力越严重。上文提到，接触到的石英棒直径大且芯棒参杂，所以需要严格的热处理来去除应力。

在实际生产中，石英棒体退火，杆体内的应力不能完全消除。但是残余量已经很少了，就是在偏光仪下也不易发现。

理论上，最高退火温度意味着在3分钟后可以消除应力95%；最低退火温度是在该温度下3分钟的应力释放为5%。在生产实践中，通常使用的温度比最高退火温度低50℃并且比最低退火温度高100℃。退火的方式有很多种，但主要是退火炉退火，在此我们只探讨使用退火炉退火的一种情况。

根据上述退火原理，石英玻璃的退火分为四个阶段：加热阶段，恒温阶段，冷却阶段，自然冷却阶段。

1加热阶段：对于石英玻璃的要求，这项工作是基于光学产品的退火要求，整个加热过程缓慢加热到1100°C。根据经验，温升为4.5/R2°C/min，其中R是石英玻璃产品的半径。

2恒温阶段：将石英棒体达到实际最高退火温度时候，对炉体进行恒温处理，使制品受热梯度趋缓各位置受热均匀。为下一步的降温做准备。

3降温阶段：为了在石英棒的冷却过程中消除或产生非常小的永久应力，在该阶段，应缓慢降低温度以防止温度梯度过大。1100°C-950°C降温速度为15°C/小时。950°C-750°C降温速度在30°C/小时。750°C-450°C降温温度在60°C/小时。

4自然冷却阶段：450°C以下断退火炉电源而不改变保温环境使其自然冷却到100°C以下。100°C以下开放保温环境，使其冷却至室温。

上述步骤所涉及时间温度都是由理论结合生产实践所得出结果。图1为升温或者恒温时间过短，从而受热不均匀而产生的失败实验品。

结论：在生产加工石英玻璃的过程中，无论在哪个程序，无论是暂时应力还是永久应力都存在制品中。同时，又可以“火焰”“HF”酸“退火炉”等方法去除暂时应力或者减少永久应力。去除应力对于改变石英制品的机械稳定性，光学均匀性等有着重要的作用。

参考文献：

[1]玻璃仪器实践上海玻璃厂汇编上海科学技术出版社1987p80-p84

[2]张武南石英玻璃退火工艺研究科技信息2010（09）P125

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

作者简介：

李延强（1984），性别：男，籍贯：天津，民族：汉，职称：助理工程师，学历：大专，研究方向：材料学，特种光纤研究。