石英玻璃化学性能.docx
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石英玻璃化学性能
石英玻璃化学性能
石英玻璃具有高度的化学稳定性,除氢氟酸和热磷酸外,不仅在常温下,而且在高温下也耐各种酸、王水、中性盐、硫和碳的侵蚀,化学稳定性比镍铬合金和陶瓷大150倍,是最好的耐酸材料。
石英玻璃属酸性物质,在耐碱性与乃耐碱性盐方面比较差,能与此类型试剂生成可溶性硅酸盐,故不适用于制造强碱性反应的仪器。
在800oC以下,除PbO以外,石英玻璃实际上不受金属氧化物侵蚀;800oC以上与ZnO、R2O(R表示碱金属)起反应;900oC以上与BaO、MgO、Fe2O3起反应。
1000oC以上与AI2O3、CaO起反应。
熔融金属对石英玻璃的侵蚀性是不同的,对Ag、Au、Cd、Hg、Pt、Mo、Sn、W、Zn耐侵蚀,与Ca在600oC以上起反应,与Al、Le、Mg在800oC以上起反应,而与Li在250oC以上即起反应。
硅对石英玻璃有侵蚀,而碳在1800oC以上与石英玻璃起反应,在850oC以下,石英玻璃与Na2CO3不起反应,900oC以下,石英玻璃与Na2So4起反应,而在800oC时硝酸钠、无水硼砂、氯化钙强烈侵蚀石英玻璃。
在常温下,石英玻璃对水是稳定的,即使在高温高压下,水对石英玻璃的侵蚀也是很小,在100个大气压和310oC下与水作用3小时,石英玻璃的失重仅为1.13克/米2。
各种溶液侵蚀石英玻璃的重量损耗
溶液名称
浓度/比重
温度(oC)
侵蚀时间(小时)
重量损耗(克/米2)
透明石英玻璃
不透明石英玻璃
盐酸
1.19
60
24
0.034
0.16
硝酸
1.40
115
24
0.11
0.15
硫酸
1.84
205
24
0.06
0.13
氢氟酸
38%
22
2
259.39
379.80
磷酸
200
15
微量
300
15
58.00
氢氧化钠
1%
101
2
0.80
5.15
氢氧化钾
1%
98
2
0.68
4.63
氢氧化铵
25%
65
2
0.09
0.33
氯化钠
10%
102
2
0.14
0.34
碳酸钠
10%
102
2
1.20
4.99
石英光学玻璃性能
石英玻璃的光学性能有其独特之处,它可以透过远紫外光谱,是所有透紫外材料最优者,可透过可见光和近红外光谱,用户可以根据需要,从185-3500μm波段范围内任意选择所需品种。
折射率 石英玻璃的折射率很小,透明石英玻璃的折射率ND=1.45845,光学石英玻璃在20oC之标准值ND=1.4586±4×10-4。
在紫外部分(214.4纳米-280.3纳米)的折射率为1.5341-1.4942;在可见光部分(404.6纳米-766.5纳米)为1.4698-1.45413;在红外部分(863.0纳米-36501纳米)为1.45251-1.47454,随波长增加而折射率下降。
谱线符号
波长(nm)
发射元素
光谱色
折射率
A
768.5
K
红
C
656.3
H
红
1.45646
D
589.3
Na
黄
1.45845
d
587.6
He
黄
1.45857
e
546.1
Hg
绿
F
486.1
H
浅蓝
1.46324
g
435.8
Hg
浅蓝
G‘
434.1
H
蓝
h
404.7
Hg
紫
平均色散 Nf-Nc=0.00674±3×10-5
色散系数(阿贝数):
γ=(ND-1)/(NF-NC)=68
透光性 透明石英玻璃具有优良的红外与紫外透过性。
普通石英玻璃中由于含有羟基在红外光谱中2.73微米处有一个主吸收峰与两个谱波,为了减少羟基,目前公司采用真空加压或无氢火焰熔制光学石英玻璃。
紫外线的透过率对石英玻璃中的杂质,特别是铁含量有关系,低铁量石英玻璃可作为透紫外石英玻璃。
折射率见下表
波长(μm)
折射率
波长(μm)
折射率
波长(μm)
折射率
波长(μm)
折射率
0.20
1.54727
0.48
1.46318
0.80
1.453371
2.00
1.438174
0.25
1.50745
0.55
1.46013
0.90
1.451808
2.40
1.431730
0.30
1.48594
0.59
1.45845
1.0
1.450473
2.80
1.423891
0.34
1.47867
0.65
1.45640
1.30
1.446980
3.10
1.41694
0.40
1.46968
0.70
1.45517
1.60
1.443492
3.50
1.40601
光谱透过率:
厚度1mm
波长(nm)
透过率(%)
透过率(%)
透过率(%)
Type
180
230
360
170
0
0
0
180
40
0
0
190
55
0
0
200
65
0
0
220
80
5
0
240
82
44
2
260
86
83
4
280
90
90
0
300
92
91
0
320
92
91
0
340
92
92
5
360
92
92
26
380
92
92
65
400
92
92
81
420
92
92
88
440-2000
92
92
91
2500
92
92
92
2700
90
90
90
3000
91
91
91
3500
88
88
88
4000
73
73
73
4500
35
35
35
其它厚度光谱透过率可以用公式推导:
T=(1-R)2e-at
T:
透过率R:
单反射损耗。
e:
自然对数基数。
t:
厚度(cm)
光谱透过性能
光谱透过率受三个因素影响:
反射,散射和吸收。
石英玻璃管的反射一般为8%,紫外区大一些,红外区小一些。
所以石英玻璃的透过率一般不大于92%。
石英玻璃的散射比较小,一般可以忽略。
光谱吸收和石英玻璃的杂质含量和生产工艺有密切的关系;在低于200钠米波段的透过率的高低,代表金属杂质含量的多少;240钠米的吸收表示缺氧结构的多少;可见波段的吸收是由于过渡金属离子的存在造成的,2730钠米的吸收是羟基的吸收峰,可以用于计算羟基含量。
用光谱吸收羟基计算的方法:
A、GE公司的计算公式:
C=910/T*LOG10(Ta/Tb)mm-1
C:
羟基含量(C,ppm)
T:
厚度(mm)
Ta:
2600钠米波长的透过率
Tb:
2730钠米波长的透过率
B、中国的国家标准计算公式:
C=96.5/d*LG10(Ia/I)mm-1
C:
羟基含量(ppm)
d:
厚度(cm)
Ia:
2730钠米基线到零线的距离(mm)
I:
2730钠米吸收峰到零线的距离(mm)
原料和制造方法对折射率和色散率影响不大。
羟基含量增加0.001%(重量),也就是增加1*10-5,折射率大约降低1*10-6。
如果含水量从零变到合成石英玻璃的最大含水量,则折射率将发生140*10-6的变化。
相关概念:
折射率:
光通过界面时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,称为折射率。
一般所指的折射率通指用钠灯D线(589.3nm)从空气(或真空)进入介质的测量值。
石英玻璃是二氧化硅单一成份的玻璃,通常分为透明石英玻璃和不透明石英玻璃(熔融石英)两大类。
透明石英玻璃只有极少量气泡,有相当高的光学均匀性和透明度,由水晶或四氯化硅为原料,经高温熔制而成,SiO2含量在99.95%以上,高纯石英玻璃喊99.999%以上,不透明石英玻璃是脉石英、石英砂为原料,经高温熔制而成,含SiO299.5%以上。
由于石英玻璃是由单纯(SiO4)四面体组成的网络骨架,而硅氧气键强很大,结构紧密,故机械强度、耐热性能很高,热膨胀系数很小,化学稳定性也很好,同时,粘度大,软化点也很高,由于网络中无填隙的阳离子,所以密度小、导电率、介质损失也很小。
机械性能
单位
透明石英玻璃
泊松比
0.17
弹性摸数
克/厘米2
6.2-7.2×105
抗压极限
千克/厘米2
11700
抗拉极限
千克/厘米2
500
注:
上表为参考值。
相关概念
泊松比:
物体伸长时,在垂直于伸长方向出现横向收缩。
相对伸长值为△l/l,而相对横向收缩值为△d/d,则两者之间的比值称为泊松比μ=(△d/d):
(△l/l)。
弹性模数(弹性模量,杨氏模量):
应力增加与应变增加之比值。
例如:
符合虎克定律的弹性体,在承受轴向拉力或压力时,在弹性范围内表达应力和应变比值的一个材料常数即为弹性常数,E=σ/ε。
抗压极限:
能引起玻璃体破坏的压缩应力称之为玻璃的抗压缩极限。
抗拉极限:
能引起玻璃体破坏的拉应力称之为玻璃的抗拉极限(或抗张极限)。
石英玻璃的理论强度一般远远高出其实际强度。
如抗拉极限,理论计算为246×103千克/厘米2,实际约500千克/厘米2。
这主要是由于加工的石英玻璃存在一些缺陷。
如:
表面微裂纹,气泡,杂质,应力未消除等。
石英玻璃的机械性能比硬质玻璃和陶瓷都好,新拉的无缺陷石英玻璃纤维强度为24100×106帕,直径不大的石英管及石英玻璃设备可耐很大的压力,石英玻璃制品中如有宏观缺陷,如气泡、外来杂物、熔化不均匀及存在的残余应力,都会影响其强度,使其降低。
石英玻璃强度开始随温度而增加,到一定温度后,反而随温度升高而降低,透明石英玻璃由室温升高到900oC,抗张强度约增加一倍,抗冲击强度显示出最大值
热膨胀系数 石英玻璃的热膨胀系数仅为普通玻璃的1/10—1/20,石英玻璃的纯度对膨胀系数有影响,一般透明石英玻璃的线膨胀系数(0-1000oC)为5.4×10-7,,不透明石英玻璃为5.5×10-7,高纯合成石英玻璃为4.9×10-7(0-200oC)-5.0×10-7(5-35oC)。
石英玻璃在不同温度下的线膨胀系数
温度(oC)
100
200
300
400
500
600
700
800
1000
1200
线膨胀系数(×10-7)
5.10
5.85
6.27
6.35
6.12
6.00
5.71
5.62
5.56
5.42
在石英玻璃中加入适量TiO2后,其膨胀系数仅为普通石英玻璃的1/25,及零膨胀。
这主要是因为Si与Ti之间的O产生较强烈的横向振动促使阳离子互相接近,因而膨胀系数变小。
随着TiO2的加入,膨胀系数可达到负值。
耐热性 由于石英玻璃线膨胀系数极小,故具有很高的耐急冷急热性,透明石英玻璃在电炉中于1100oC下灼热15分钟,然后投入冷水中,可以经受3-5次循环而不破裂;不透明石英玻璃在800oC下灼热5分
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