[科普中國(guó)]-高硅氧玻璃

高硅氧玻璃是含二氧化硅（SiO2）高達(dá)96%以上的玻璃又稱96玻璃。1934年美國(guó)康寧公司研究人員在研究硼硅玻璃分相時(shí)發(fā)明了高硅氧玻璃，并于1939年以Vycor的商品名稱出售。1由鈉硼硅酸鹽玻璃經(jīng)分相、酸處理、干燥和燒結(jié)制得。性能和組成接近石英玻璃。具有耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、透紫外線等優(yōu)點(diǎn)。2

制造原理高硅氧玻璃是利用圖1 SiO2-B2O3-Na2O玻璃組成的B區(qū)易于分相的特點(diǎn)來(lái)制造的。

首先選取B區(qū)域中適當(dāng)組成，按一般玻璃生產(chǎn)方法制出半成品。而后將其在600℃左右熱處理幾個(gè)小時(shí)，使其分相。分相后這種玻璃就分離為高Na2O-B2O3相和高SiO2相。兩相分離后每一相的富集區(qū)都很小，僅有幾埃至幾十埃。玻璃分相后經(jīng)退火處理，而后用酸溶液與Na2O-B2O3相反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的生成物用弱堿和清水洗去。此時(shí)制品就成為高SiO2相的多孔質(zhì)玻璃了。此后再經(jīng)1200℃左右的燒結(jié)，即可制成高硅氧玻璃制品。1

制造工藝基礎(chǔ)玻璃成分的選擇基礎(chǔ)玻璃成分對(duì)玻璃分相有重要意義。選擇成分時(shí)主要應(yīng)考慮如下四點(diǎn)。

（1）要在較低的溫度、較短的時(shí)間內(nèi)完全分相。

（2）要在分相后能生成二氧化硅相的連續(xù)骨架結(jié)構(gòu)，而不能生成弧島形球狀結(jié)構(gòu)。這是由于弧島形球

狀結(jié)構(gòu)中Na2O-B2O3相被SiO2相所包圍，用酸液很難將其浸出。

(3)分相后各項(xiàng)的富集區(qū)不能過(guò)大，一般應(yīng)在20埃-60埃左右。過(guò)大則燒結(jié)困難，過(guò)小則Na2O-B2O3相不易被酸液浸出。

(4)B2O3和Na2O的含量應(yīng)較低，否則燒結(jié)時(shí)收縮過(guò)大易于損壞。1

熔化及成形中的問(wèn)題這種基礎(chǔ)玻璃在熔化時(shí)，會(huì)遇到硼硅酸鹽玻璃常見(jiàn)的B2O3揮發(fā)問(wèn)題。為制成與要求成分相同的玻璃，必須根據(jù)試驗(yàn)測(cè)出揮發(fā)量，在配料時(shí)增加B2O3的量。但在工作池中B2O3的揮發(fā)會(huì)造成制品中出現(xiàn)條紋，從而使其分相不均勻，因此要采取措施除去玻璃液表面因B2O3揮發(fā)而造成的變質(zhì)層，并控制氣氛。即使這樣，在制品成形過(guò)程中，制品表面的B2O3揮發(fā)也會(huì)使其表面層含SiO2量較高，因而使浸酸困難。此時(shí)應(yīng)將制品用氫氟酸處理，以除去表面的高SiO2層，這就可以大大加快浸酸速度。1

熱處理和酸處理熱處理溫度在玻璃的轉(zhuǎn)化點(diǎn)和軟化點(diǎn)之間，一般為500-700℃。溫度過(guò)低分相緩慢，溫度過(guò)高制品會(huì)析晶或變形。熱處理時(shí)考慮到以后酸處理時(shí)破損少，對(duì)不同壁厚的產(chǎn)品要采用不同的處理方法。厚度較大的產(chǎn)品要用高溫快速熱處理，厚度較小的產(chǎn)品應(yīng)采用低溫慢速熱處理。

酸處理時(shí)酸的最大濃度為3NHCl和5NH2SO4。酸處理的時(shí)間與制品厚度、溫度、酸濃度都有關(guān)系，一般認(rèn)為控制在一天浸出一毫米厚度內(nèi)的Na2O-B2O3相比較好。

酸處理時(shí)，由于已處理部分和內(nèi)部尚未被處理部分之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，因而造成產(chǎn)品破損。所以要從調(diào)節(jié)基礎(chǔ)玻璃組成、改變制品形狀及厚度、調(diào)整熱處理和酸處理工藝等方面作大量的研究，以減少酸處理的破損。

為了制得純度較高的高硅氧玻璃可采用NH4Cl中和酸液，再用清水洗凈，而后再用反復(fù)酸洗方法處理，以使酸洗完全。為使殘留的B2O3盡可能少，可在燒結(jié)時(shí)通入水蒸氣。這樣制成的高硅氧玻璃SiO2成分可達(dá)98%以上，退火溫度可提高到1130℃。1

燒結(jié)在燒結(jié)中特別應(yīng)注意之點(diǎn)是多孔高硅氧玻璃的比表面積大(可達(dá)80-300米2/克)，因此表面會(huì)吸附大量的水，這就要求在100-200℃水分蒸發(fā)時(shí)十分注意，以防水分劇烈汽化使制品損壞。在其他溫度下可較快升溫。升到1000-1100℃保溫一段時(shí)間后，燒結(jié)就可完成。此時(shí)制成的是完全沒(méi)有氣泡的透明的高硅氧玻璃制品。但其體積比原來(lái)的基礎(chǔ)玻璃制品縮小20-40%，這一點(diǎn)在開(kāi)始制作時(shí)就要考慮到，以使最終制品符合尺寸要求。1

性能及用途高硅氧玻璃的熱膨脹系數(shù)稍大于石英玻璃，為8 x 10-7/℃。因而其抗熱沖擊性能可達(dá)800℃，經(jīng)常使用溫度為900℃，短時(shí)間最高使用溫度可達(dá)1200℃。其抗化學(xué)侵蝕性、機(jī)械強(qiáng)度等性能也與石英玻璃相似。但其大量生產(chǎn)時(shí)，價(jià)格比石英玻璃低。因而可代替石英玻璃制作耐熱器皿、復(fù)雜形狀的儀器、冶煉鈾的器皿、高壓水銀燈管和溴鎢燈管。

用各種金屬鹽類處理多孔高硅氧玻璃，再行燒結(jié)，可制成各種顏色的高硅氧玻璃用作濾色片。

高硅氧玻璃燒結(jié)之前為多孔性硅氧，具有非常細(xì)小的孔，其直徑僅有20-100埃，其比表面積可達(dá)80-300米2/克。由于氣孔是連通的，氣體和液體可以滲透。其滲透速度為：水0.00065、丙酮0.0018，氧4.0、氫19.0(單位：毫升/厘米3·小時(shí)·大氣壓)。利用這種性質(zhì)可用作吸濕劑、吸收劑、催化劑載體、細(xì)菌過(guò)濾器、氣體及液體分離器以及制成超導(dǎo)體的載體等。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學(xué)