玻璃之王石英玻璃分类应用领域及未来发展趋势等分析

　　石英玻璃是由二氧化硅单一组分构成的特种工业技术玻璃，具有普通玻璃无可比拟的一系列优异性质，被新材料领域专家誉为玻璃之王，是现代信息产业、光学、光伏、半导体等国家战略性新兴产业和航空航天等国防领域的重要基础性材料。
　　一、石英玻璃概述
　　石英玻璃是由各种纯净的天然石英（如水晶、石英砂等）熔化制成。线膨胀系数极小，是普通玻璃的110120，有很好的抗热震性。它的耐热性很高，经常使用温度为11001200，短期使用温度可达1400。石英玻璃主要用于实验室设备和特殊高纯产品的提炼设备。
　　石英玻璃是二氧化硅单一成分的非晶态材料，其微观结构是一种由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单纯网络，由于SiO化学键能很大，结构很紧密，所以石英玻璃具有独特的性能，尤其透明石英玻璃的光学性能非常优异，在紫外到红外辐射的连续波长范围都有优良的透射比，因此也是用于宇宙飞船、风洞窗和分光光度计光学系统的理想玻璃。
　　二、石英玻璃的结构特点
　　纯净的石英玻璃由单一的二氧化硅（SiO）成分构成，石英玻璃中的SiO键呈短程有序、长程无序的排列状态，由于SiO键的键能较强且较为稳定，因此石英玻璃具有较高的软化温度、极佳的光谱透过性、极低的热膨胀系数和电导率、极高的化学稳定性、耐辐照性以及在极端条件下较长的工作寿命等特点。
　　石英玻璃原子结构示意图
　　三、石英玻璃的品种
　　1。按照外观分类：石英玻璃可分成透明和不透明两大类。透明石英玻璃又可分为普通石英玻璃、高纯石英玻璃和掺杂石英玻璃。
　　2。按照产品形状分类：可分为管材、棒材、板材、坩埚、钟罩和灯工制成品以及石英玻璃纤维石英棉等。
　　3。按照特殊功能分类：有低膨胀石英玻璃、耐辐照石英玻璃、透紫外或透红外石英玻璃、滤紫外石英玻璃等。
　　4。按照制造方法来分类：石英玻璃可分成天然石英玻璃和合成石英玻璃。天然石英玻璃是用天然水晶或硅石作原料经高温熔制而成的，合成石英玻璃则使用无机或有机含硅的液体化合物（如四氯化硅）经火焰水解合成工艺制成。由于合成石英玻璃比用天然原料制成的石英玻璃纯度高，品质好，因此又被称为高纯石英玻璃，天然石英玻璃又被称为普通石英玻璃。
　　四、石英玻璃的性能特点
　　1。光学性能
　　石英玻璃具有一系列优异的光学性能。与普通玻璃相比，高纯石英玻璃具有从远紫外（160nm）到远红外（5m）极宽光谱内的良好透过性，这是一般光学玻璃所不具备的。优异的光谱透过性和光学均匀性使得石英玻璃广泛应用于半导体光刻和精密光学器件领域。
　　此外，石英玻璃具有良好的耐辐照性能，耐辐照石英玻璃已经广泛用作神舟系列宇宙飞船的窗口材料，天宫系列空间实验室关键部件的防护罩等。
　　石英视窗（图片来源：菲利华）
　　2。机械性能
　　石英玻璃和普通玻璃类似，属于脆硬材料。与普通玻璃相同，石英玻璃的强度参数受很多因素影响，包括表面状态、几何形状和测试方法等。透明石英玻璃的抗压强度一般为4901960MPa，抗拉强度为5070MPa，抗弯强度为66108MPa，抗扭强度约为30MPa。
　　3。电学性能
　　石英玻璃是优良的电绝缘材料。与普通玻璃相比，石英玻璃有着较高的电阻率，常温下石英玻璃的电阻率高达1。81019cm。此外，石英玻璃有着较高的击穿电压（约为普通玻璃的20倍）以及较低的介电损耗。石英玻璃的电阻率随着温度升高略有下降，不透明石英玻璃的电阻率低于透明石英玻璃。
　　4。热学性能
　　由于石英玻璃内部几乎全部为较强的SiO键作用，它的软化温度非常高，长期工作温度可达1000。另外石英玻璃的热膨胀系数是常见工业玻璃之中最低的，其线膨胀系数可达5107，经过特殊处理的石英玻璃甚至可以达到零膨胀。石英玻璃还具有非常好的抗热振性，即在短时间内反复经历极大的温差也不会开裂。这些优良的热学特性使得石英玻璃在高温和极端工作环境中有着其他玻璃不可替代的地位。
　　晶圆承载环（图片来源：菲利华）
　　高纯的石英玻璃可以应用在半导体行业的芯片制造、光纤制造的辅材、工业高温炉的观察窗、大功率电光源以及航天飞机表面充当隔热层等。极低的热膨胀系数还使得石英玻璃可以应用于精密仪器、大型天文望远镜的镜头材料等。
　　5。化学性能
　　石英玻璃的化学稳定性非常好。不同于其他的商业玻璃，石英玻璃对水有着极高的化学稳定性，因此可以应用在对水的纯度要求极高的水蒸馏器中。石英玻璃具有优良的耐酸性和耐盐性，除氢氟酸、磷酸和碱性盐溶液外，与大多数酸和盐溶液都不发生反应。与酸和盐溶液相比，石英玻璃的耐碱性较差，在高温下会与碱溶液反应。除此之外，石英玻璃和大多数氧化物、金属、非金属以及气体等在常规温度下都不反应。极高的纯度和良好的化学稳定性使得石英玻璃可以应用在半导体制造业等对生产条件要求较高的环境中。
　　石英钟罩（图片来源：菲利华）
　　6。其他性能
　　透气性：石英玻璃的结构十分松弛，甚至在高温下还允许某些气体的离子通过网络进行扩散，其中以钠离子的扩散为最快。石英玻璃的这一性能对于使用者尤为重要，例如，半导体工业用石英玻璃作为高温容器或扩散管时，由于半导体材料要求很高的纯度，所以要求与石英玻璃接触的作为炉衬的耐火材料必须预先经过高温和清洁处理，除掉钾、钠等碱性杂质，然后才能放入石英玻璃内使用。
　　五、石英玻璃的制备方法
　　石英玻璃的制备方法可以分为两大类。第一类是以天然石英晶体或硅石为原料进行熔制得到，称为天然石英玻璃。根据热源和工艺的不同可以将第一类方法细分为电熔法，气炼法，等离子体熔制法等。第二类是以含硅化合物（包括卤化硅，氢化硅及有机硅等）为原料通过化学反应合成得到，称为合成石英玻璃，根据反应原理的不同可以将第二类方法分为：等离子体化学气相沉积法（PCVD）、火焰水解沉积法（FHD）、溶胶凝胶法。
　　高纯石英玻璃制备方法
　　以下简单介绍两种典型的制备方法。
　　电熔法和两步CVD法制备石英玻璃锭的流程对比图
　　1。电熔法
　　在电熔法中，首先通过电加热（电阻加热或电磁感应加热）将坩埚内的粉末状石英原料进行熔化，随后经过快速冷却的玻璃化过程形成石英玻璃。
　　采用电熔法制备的石英玻璃，其品质主要取决于原料的纯度。石英原料中的金属杂质通常很难去除，因此电熔石英玻璃中的金属杂质一般含量较高且难以控制。通过烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用电熔法可以制备出羟基含量较低的石英玻璃。
　　2。两步CVD法
　　两步CVD法，即两步法气相沉积法，该方法可分为两步，第一步是在较低的温度下进行水解反应，此时生成的SiO颗粒呈烟灰状，SiO颗粒沉积在基板上首先得到SiO疏松体，该疏松体是一种多孔结构的无定形SiO。第二步将制得的SiO疏松体转移到高温加热炉内进行脱羟，然后经过烧结和冷却过程最终制得石英玻璃。
　　采用两步化学气相沉积（CVD）法制备高纯石英玻璃锭是国内近年来着力发展的新技术，其优势在于可以生产出低羟基或羟基含量可控的石英玻璃，从本质上避免了金属杂质的引入，因此具有广阔的发展前景。但是两步CVD法目前仍面临着一系列技术挑战，主要表现在制备工艺不成熟、对制备过程中的关键科学问题认识不足等，限制了其成为工业中制备石英玻璃的主流技术。此外，石英玻璃制备工业还存在着玻璃气泡缺陷以及产品热改型过程难以控制等难题，造成石英玻璃的质量无法得到有效保障。
　　六、石英玻璃的应用
　　石英玻璃作为重要材料，广泛应用于光通讯、航空航天、电光源、半导体、光学新技术、国家重大专项工程及国防工业等方面。
　　1。光通讯领域：石英玻璃是生产光纤预制棒和光纤拉丝的辅助材料，主要服务于基站互联市场，5G时代的到来为光纤带来了巨大的市场需求。
　　2。新型光源方面：做高压水银灯、长弧氙灯、碘钨灯、碘化铊灯、红外线灯和杀菌灯等。
　　3。半导体方面：石英玻璃是半导体材料和器件生产过程中不可缺少的材料，如生长锗，硅单晶的坩埚、舟皿炉芯管和钟罩等。
　　4。在新技术领域中：用其声、光、电学的极佳性能、做雷达上的超声延迟线，红外跟踪测向，红外照像、通迅、摄谱仪、分光光度计的棱镜，透镜、大型天文望远镜的反射窗，高温作业窗、反应堆、放射性装置；火箭，导弹的鼻锥体，喷嘴和天线罩，人造卫星的无线电绝缘零件；热天秤，真空吸附装置，精密铸造等。
　　石英玻璃还用于化工、冶金、电工、科研等方面。在化工方面，可做高温耐酸性气体的燃烧、冷却和通风装置；贮存装置；蒸馏水、盐酸、硝酸、硫酸等的制备和其它物理化学实验用品。在高温作业方面，可做电炉炉芯管，气体燃烧辐射体。在光学方面，石英玻璃和石英玻璃棉可作火箭的喷咀，宇宙飞船防热罩和观察窗等，总之，随着现代科学技术的发展，石英玻璃在各个领域方面得到更加广泛的应用。
　　七、国内石英玻璃产业分析
　　1。行业上游
　　石英砂作为石英玻璃材料及制品行业的重要原材料，其价格直接影响到生产成本。由于国外石英矿石总体质量较好，且国内对石英矿石的开采有一定政策限制，目前国内石英制品所用原材料多从国外进口。根据其下游应用行业不同，原材料被大致分为普通石英砂及电子信息领域用高纯石英砂。
　　普通石英砂大多来自安哥拉、马达加斯加、巴西等地，经我国东海县石英矿石加工厂粉碎、打磨、清洗后，出售给石英制品生产厂商。普通石英砂价格多年维持在较稳定的水平，其价格波动对行业内企业产品不会产生重大影响。而电子信息行业中半导体器件则需要高纯石英砂作为基础原材料，其总体杂质含量在22ppm以下，单类碱金属（钾、钠、锂）含量均小于1ppm的石英砂，该纯度标准对应的产品为美国Unimin的IOTASTANDARD等级石英砂，该产品被全球公认为高纯石英砂的标准产品，其产品纯度指标被视为该行业国际标准纯度，目前世界上其他厂家的产品皆以此标准衡量质量，其产品纯度指标多种。
　　最初的高纯石英砂是由水晶加工而成，随着水晶资源的逐步枯竭，自上世纪70年代，美国等国家开始探索用普通石英代替水晶来制备高纯石英砂，从天然岩石矿中提取高纯石英砂是目前世界上生产高纯石英砂的最先进技术。世界上只有美国的Unimin等少数几家公司能够大批量生产高纯石英砂，基本垄断了高纯石英砂的国际贸易市场。除此之外，俄罗斯、德国、日本等国家的优质石英矿产资源也较为丰富且具有高纯砂的提纯技术，但至今未有形成较大的供应能力。
　　2。行业下游
　　石英制品的应用领域十分广泛，已逐步渗透到电子信息、太阳能、电光源、航空航天、国防科技等飞速发展的领域，下游市场需求量较大。
　　1）电子信息领域需求
　　在国家政策层面，十三五规划、一带一路、《中国制造2025》和互联网、宽带中国等陆续出台的政策引导下，十三五时期我国电子信息领域的半导体光纤技术产业将继续朝着智能化、信息化、品质化、标准化方向发展。尤其是石墨烯、量子点、纳米等新材料、新技术将进一步与半导体光电产业向融合，以及国际市场技术与中国产业基金的结合，电子信息产业必将在中国有一个更为广阔的市场发展前景。
　　由于电子信息行业涉及的半导体和光纤生产过程需要消耗大量的石英片、环、板、法兰、刻槽舟、扩散炉管、清洗槽、大尺寸石英砣（筒）、光纤套管、把持棒等高品质石英材料，对国内天然高纯石英材料的需求和技术也提出了新的要求，更给石英玻璃材料及制品行业带来了大发展，必将促进石英玻璃材料及制品行业在质和量上的稳步提升。据行业专家预测，全球电子信息产业大发展的今天，石英材料作为电子信息的基础材料在未来510年将迎来一个发展巅峰，石英材料也将逐步成为高科技行业越来越重要的关键支撑材料。
　　2）太阳能领域需求
　　高纯石英坩埚产品是以天然石英为主要原料，是多晶硅铸锭过程的主要辅助耗材，随着新能源产业发展的拉动，以及国家持续出台的利好政策的刺激，光伏行业已经走出近几年发展的阴霾。中国光伏企业依托国家一带一路的战略引导，产业规模不断增长，产业集中度和技术水平进一步提升，多家光伏企业开始走出国门，布局海外，这无疑刺激和拉动对天然石英产品的巨大市场需求。
　　3）光通讯领域需求
　　近年来，随着互联网、移动互联网应用的蓬勃发展，我国光纤光缆产业也迎来了较快发展，国内光纤光缆始终维持着增长态势。从宽带中国战略的深入推行到互联网概念的提出，再到三令五申敦促提速降费，光纤光缆作为宽带中国的重要的基石，相关光纤光缆企业将从万亿投资中获益，而无线网络无疑将继续作为运营商投资的重点。随着一带一路政策思想的落地，光通讯材料作为信息互联互通的基石，将直接受益于一带一路政策的落实过程，我国光纤光缆行业将迎来新一轮发展契机。
　　4）航空航天领域
　　石英纤维由于具有强度高、介电常数和介电损耗小、耐高温、膨胀系数小、耐腐蚀、可设计性能好等一系列特点，是航空航天领域不可或缺的战略材料。石英纤维在高频和700以下工作区域内，保持最低而稳定的介电常数和介电损耗。这种优异的性能可以抵抗航天飞行器在飞行过程中，因温度陡然变化对材料介电性能产生突变性的影响，是航天飞行器的理想透波材料。
　　航空航天产业已被列入国家战略性新兴产业和优先发展的高技术产业，国内航空产业规模快速扩张，民用飞机的研制、生产、销售情况良好，外贸和转包生产取得长足进步。近几年我国在航空航天及其他领域取得的重大进展，相关产品的量产化，也将极大拉动对石英玻璃纤维及制品的需求。中国政府高度重视航空航天产业发展，十三五期间政府将进一步加大支持力度，促进航空航天产业快速发展。支线飞机、通用飞机、直升机、航空发动机等项目的研制、改进取得了新的进展。载人航天、探月工程、北斗导航等取得重大进展。
　　5）电光源领域需求
　　随着全球淘汰白炽灯的步伐逐步深入，节能型卤素灯作为替代产品得到快速发展，产量上呈现翻番的增长，这极大促进了低端石英玻璃管的成长；环保领域用的石英材料增长平稳。
　　在国内因为雾霾和水污染事件频发，人们对环境保护高度重视，其中空气净化和污水处理两个方面均得到快速发展，而应用于该领域的石英管杀菌灯每年增长率超过15，随着技术的更新，石英管在该领域内将有较大的发展空间。在医疗杀菌领域，空气杀菌器、臭氧发生器等发展迅猛，年增长超过20。
　　近年来，我国的电光源行业的发展十分迅速，国际上光源开发、研制和销售中心正逐渐向中国转移，中国已经成为世界最大的光源加工生产基地，电光源产品的产量亦居世界首位，产品也从过去的品种少、质量差，向多品种、高质量方向发展。世界三大照明公司欧司朗、飞利浦照明、GE照明已将生产和采购中心向我国转移，产品替代以及生产中心的转移将进一步提升我国石英管生产企业的成本优势和市场竞争。
　　八、石英玻璃产业未来发展趋势
　　我国石英制品工业起步较晚，基础薄弱，产品主要作为工业用基础性材料，然而近年来由于电子信息等高科技行业对石英材料的高度需求，石英玻璃材料及制品行业也迎来了新的发展空间和机遇。伴随着国外先进技术及设备的引进以及自主研发，我国石英玻璃材料及制品行业在石英制品工艺、设备制造方面均得到大幅提升，正逐渐从能源和劳动密集型行业向技术密集型、资金密集型方向转变。但与西方发达国家同行相比，仍处于技术发展实力整体薄弱，具有极强发展潜力阶段。近年来，受到下游光源、光伏、光纤半导体（电子信息）等三大应用领域快速发展需求的拉动，行业进步态势明显。
　　开发LED代替传统电源，对石英制品行业是一个不小的冲击。国内石英厂家开始将石英制品转向特种光源和高等光源，技术要求较低，也是一个发展的趋势，能够稳定低端石英制品的市场。光伏产业中石英主要作为工艺耗材，如石英坩埚、法兰等，由于技术含星较低，在国内有较大的市场。国家能源局的规划直到2020年光伏发电指标为86。5GW，这些都将会拉动石英行业的发展。
　　目前石英玻璃需求量最大的是半导体行业和光纤通讯产业。国内光纤行业用石英制品主要作为石英辅助材料，如光纤预制棒、把持棒、手柄等，这些产品相对偏中低端，价格相对也偏低。国内制作能满足内需，然而像基管、套管等高端石英制品的年产量还是很低，仍需要大量进口。整个光纤行业快速发展、技术越来越成熟，光纤预制棒的国产化比例逐步提高。依据这个趋势和国家政府的扶持，光纤行业的发展还会更上一层楼，石英制品也会紧跟着其在技术和质量上的发展得到进一步的提升。
　　高纯度石英制品是半导体材料生产过程中的关键性辅助耗材，其中光掩膜基板主要的基础材料是高纯石英玻璃片，其石英玻璃基片前身是高品质石英锭。半导体产业技术门槛高，对石英制品的纯度及性能要求非常高，所以半导体用石英制品行业的技术水平也非常高。半导体设备制造商为了保证半导体的质量和性能，对石英玻璃供应商实施严格的资质认证，通过认证方可销售半导体石英原材料。美国、德国、日本等发达国家将这些高新技术与战略新兴产业的研究列为重点垄断了高端石英产品生产技术，并限制产品和技术出口，为我国半导体企业的发展带来一些困难，但是同时也是一个发展机遇。
　　高性能石英玻璃材料是电子信息、光学光源、光伏能源、航空航天等行业不可或缺的重要基础性材料，在国家重大工程、航天、信息产业、化工、电子等领域具有关键作用。十三五时期，国家逐步推出的一系列加快突破新一代信息通信、新能源、新材料、航空航天、生物医药、智能制造等领域核心技术的产业政策，带动石英材料的发展进步，我国石英玻璃材料及制品行业将实现跨越式的发展。《中国制造2025》更是将以特种金属功能材料、高性能结构材料、功能性高分子材料、特种无机非金属材料和先进复合材料等题材作为发展重点，以加快基础材料的升级换代，彰显了国家支持新材料领域发展的决心和信心。