[科普中国]-低胀玻璃

低膨胀玻璃在温度变化下膨胀和收缩的程度不大。低膨胀玻璃的特点之一是耐热冲击性强,即耐急冷急热，广泛用于制作大规模和超大规模集成电路等微细线条的光掩模。

低膨胀玻璃应用只有SiO2的石英玻璃是最具代表性的低膨胀材料。它是在较易制造的物品中膨胀系数最小的材料,其室温附近膨胀系数约为5×10-7K-1,在低温下将更小,约在-80℃时膨胀系数为零,温度更低时成为负的膨胀。石英玻璃的转变温度高达1100℃,高温下不产生教化变形。SiO2玻璃的密度为2.2×103kg·m-3,比其他玻璃小(如钠钙硅玻璃为2.5×103kg.m-3),玻璃构造中空隙较多。在这种SiO2中加入其他成分,例如碱金属氧化物,将有许多氧离子配位修饰离子填充于玻璃枃造的空隙中,且产生非桥氧,形成弱弱的离子结合,使膨胀系数增大。

SiO2中加人TiO2的TiO2-SiO2系玻璃的膨胀系数更小,室温下当TiO2含量约为8%时,膨胀系数达到零。继续加大TiO2含量就成为负的膨胀系数。低温下该系组成玻璃都为负的膨胀系数。

只含这种SiO2为主成分网络形成成分的低膨胀玻璃密度小,结构中空隙较多,可透过氩气和氢气,而且这种玻璃主要以共价键结合,结合能非常大。因而制造较困难,需在2000℃高温下熔融,熔液黏度又非常大,不易成形。这种玻璃也可采用化学气相蒸法的一种气炼热分解法制造。1

含许多氧化铜的Cu2O-Al2O3-SiO2系玻璃的热膨胀系数,与所谓的派菜克斯玻璃相比更小,接近石英玻璃。该系统玻璃可在1500℃温度下熔融,是低温熔融、低膨胀玻璃的实例。其低膨胀的原因与石英玻璃不同,熔融状态下熔液因含Cu2O,熔点较低,黏度也低,但在冷却时分离出接近SiO2-Al2O3的基础相和含Cu2O较多的分散相两相。分散相支配着整体的热膨胀性。这样可大致说明低熔融和低膨胀的原因,但还未确定。玻璃中的铜约有70%为1价阳离子Cu+,残存的以2价阳离子Cu2+存在。Cu2+与一般的2价阳离子有相同的行动,而Cu2+与其他1价阳离子的行动完全不同。含较多氧化铜玻璃的低膨胀性已确定是由Cu+的异常行动造成,Cu+在玻璃中的扩散速度很大,空气中氧化成Cu2+,使化学耐久性变差,外观上因含较多氧化铜呈黑色不透明。1

低膨胀玻璃的用途低膨胀玻璃的特点之一是耐热冲击性强,即耐急冷急热。派莱克斯玻璃组成是以SiO2为主成分加入少量B2O3、Na2O,其化学耐久性长,热膨胀系数约为30×10-7K-1,是普通玻璃的1/3。因此成为耐热玻璃,用于烧杯等理化器皿、餐具、厨具、咖啡保温壶等。派莱克斯玻璃可耐100℃程度的急冷急热,但一般不能承受200℃以上的热冲击。1

石英玻璃与上述玻璃相比,热膨胀系数更小,玻璃转变温度也高,因此将其红热的制品放入冷水中也不会炸裂。即使加热至1100℃高温也几乎不变形。因具有这些优良的耐热性能,石英玻璃在许多方面具有多种用途。如在高温下使用的理化器皿和精密的测量仪器,以及水银灯等特殊电光源玻璃都使用石英玻璃。在高温下进行精密测量要求热膨胀系数尽量接近于零,需要耐热性高的玻璃。DTA、DSC、TMA等热分析仪器必须使用石英玻璃。由于石英玻璃具有优良的热特性、包括其他优良的功能特性,因此它成为最具代表性的功能玻璃。1

含TiO2的SiO2-TiO2系玻璃具有更小的膨胀系数,膨胀系数接近于零。调整TiO2的含量可制作零膨胀玻璃,应用于大型天文反射望远镜的镜体。即使由于无法避免的气温温度发生变化,该玻璃的高倍率咸像也不产生变形。1

哈物太空望远镜的镜片(和和大多数大型望远镜一样)由特殊的低膨胀玻璃制成,这种玻璃在温度变化下膨胀和收缩的程度不大。这种玻璃表面涂有纯铝(厚度为8.3纳米)和氟化镁(厚度为25纳米),可以反射可见光、红外线和紫外线主镜重828千克,副镜重12.3千克。2

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学