２００１年第５期中国非金属矿工业导刊
总第２３期
【矿产资源】
瓣
周永・巨，李林，杨学东
（中国建筑材料科学研究院，北京１ｏ００２４）
【擅要】本文分析了当前石英玻璃原料存在的问题，指出矿物特征研究是提高石英玻璃原料质量的必要途径，并探索了硅石矿中的水和包裹体对石英玻璃的影响。
【关键词Ｊ石英玻璃，原料ｔ矿物特征
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［中图分类号】Ｐ６１９．２３［文献标识码】Ａ
【文章编号】１００７—９３８６（２００１）０５—００２６—０３
１前言
２石英玻璃硅石原料矿的杂质
石英玻璃是单一ＳｉＯ．组分的特种玻璃材料。随纯度是石英玻璃原料的重要指标，普通原料的着科技的发展，尖端科技领域对高质量石英玻璃的杂质含量应低于ｌｏＯ×１０“，高档原料则低于２０×
需求量不断增加。但当前石英玻璃原料的技术水平，１
０“。石英晶粒中缺陷极少的硅石矿才适用于加工石
制约着我国石英玻璃的发展。
英玻璃原料，这是因为石英玻璃原料加工技术难以消石英玻璃的传统原料矿是天然熔炼水晶。我国水除硅石矿中的缺陷，如：晶格置换杂质离子或结构水。
晶资源避乏，且经多年的开采与使用，资源已近枯竭，石英晶体中的微观缺陷，置换ｓｉ４＋的金属离子和促使人们探索新的石英玻璃原料矿种。
微小固体包裹体，其体积是纳米级或微米级。由于石近几十年来，人们致力于开发地壳上广泛分布英玻璃制备工艺要求原料粉的粒度大于Ｏ．１１１１Ⅱ１，石英的硅石矿物来替代石英玻璃的水晶原料矿。在２０世晶体的微观缺陷包裹于粉体内部，而通常的非金属矿纪７０年代末，美国开始探索花岗岩中的硅石代替熔加工技术（浮选、磁选、酸浸、热氯化等）只能消除炼水晶，到２０世纪９０年代，Ｋｅｍｍｏｃｈｉ和ｓａｔｏ分石英粉料的表面杂质，不能消除包裹于石英颗粒内的别用硅石加工出可用于生产高档石英玻璃的超高纯微观缺陷。因此石英晶粒中难消除的微观缺陷含量决石英粉讥“。我国从２０世纪８０年代末开始研究石英定着石英玻璃原料纯度，在制备石英玻璃原料时，应玻璃的硅石原料，已取得一定程度的进展口。Ｊ，现根据硅石矿的微观缺陷有选择地分类加工。
达到替代三、四级熔炼水晶的水平，满足中、低档石石英晶格中除了有Ａｌ”、Ｔｉ３＋及平衡电荷的Ｌｉ＋、英玻璃的需要，但高纯、低羟基石英玻璃原料的技术Ｎａ＋、Ｋ＋等金属离子外，还有羟基（ＯＨ）“】。图ｌ显难关仍投攻克。
示石英晶体中羟基在３
０００～４
０００ｃｍｌ之间的红外
石英玻璃原料不能再依赖水晶矿，必须探索适特征吸收谱带。石英晶体中的羟基非常稳定，在熔制合石英玻璃的硅石矿，并完善高纯石英粉的加工技石英玻璃的高温条件下，仍难从ｓｉＯ，熔体中释放出，术，使其质量达到一，二级水晶粉的水平，填补我国在熔体冷却后成为石英玻璃的羟基杂质。我们研究高档石英玻璃原料的空白。为此、本文依据石英玻璃得出水晶原料的羟基含量与石英玻璃脱羟后的剩余原料的质量要求，从杂质和流体包裹体两方面分析羟基含量似成线性正比关系（图２）。
硅石原料矿的特征，为高质量制备石英玻璃原料提【收穑日期】２呻ｏ＿ｌｌ—１５
供理论基础。
【作者简介］周永恒．男．３０岁，工程师。
２００１年第５期
中国非金属矿工业导刊总第２３期
理时，有些碱金属能促进石英的晶相转变，有利于包裹体破裂，提高石英玻璃质量。包裹体中的水（图３），在高温时与ｓｉＯ，反应生成石英玻璃的羟基，降低石英玻璃质量。图４是我们测定硅石原料矿中水分子的
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红外相对吸收强度与石英玻璃经脱羟后剩余羟基浓度的关系图。图４表明硅石原料矿中的水含量高，石英玻璃的羟基含量也高。因此石英包裹体中分子水
渡数（ｃ吸。１）
田１石英中结构水的红外吸收光谱
的含量是石英玻璃原料的重要指标。
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渡数／ｃｍｌ
红外相对吸收强度
图３石英中水分子的红外吸收光谱
圈２原料中结构水相对红外吸收
与石英玻璃羟基含■的关系
３硅石原料矿的流体包裹体
硅石中普遍存有流体包裹体，这是矿物生长时所俘获的部分成矿气体或溶液。流体包裹体的体积很小，一般是微米级，小于石英玻璃原料粉的粒度。
硅石矿中流体包裹体的主要特征反映数量、分布及流体组成上，矿物的成因不同，流体包裹体的特征有所差异【”。流体包裹体能形成石英玻璃中的气泡，因此石英玻璃原料矿的流体包裹体数量应该很少。在石英玻璃原料加工时能降低原料中包裹体的数量，其效果与包裹体的存在特征相关。
石英的包裹体根据成因分类可分为原生、假次生和次生三种。原生和假次生包裹体是在矿物晶体生长时形成，均匀分布于晶体中。次生包裹体是矿物形成后，沿裂隙进入矿物，经重结晶而被捕获形成的包裹体。我们研究发现，由于次生包裹体成面状或线状分布，降低了固体的局部强度。粉碎石英矿时，沿裂隙破开的机率高，次生包裹体就容易被机械破裂。未被机械破开的次生包裹体也多数保留在颗粒表面下较浅处，应用其他技术也能使它破开。均匀分布于石英颗粒中的原生包裹体，就很难破裂消除。
硅石中包裹体的组成也影响石英玻璃质量。包裹体中的金属元素是石英玻璃的杂质，但在高温处
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红外相对吸收强度
圈４硅石原矿中水分子相对红外吸收
与石英玻璃羟基含量的关系
４当前存在的问题及解决方法
我国石英玻璃的主要缺陷是气泡数量多，而且羟基含量高，由于原料中流体包裹体气体不能在高粘度的石英熔体中排出，从而形成气泡。石英玻璃羟基与原料中的水有关。在很多领域的实际应用中，要求石英玻璃的羟基含量低于５×ｌＯ“，而杂质Ａｌ”或Ｔｉ３＋在石英玻璃中的含量可以大于ｌＯ×１０一，在掺杂石英玻璃中金属杂质的含量则更高，因此相对金属杂质，水是石英玻璃原料中一个重要的缺陷，在原料加工过程中应设法降低其含量。包裹体和水都是石英矿天然存在的特征，而且在石英玻璃制备工艺中难以清除，因此决定石英玻璃原料质量的主要因素是硅石矿特征，在石英玻璃原料加工前必须分析
周永恒等：石英玻璃的硅石原料矿特征
硅石矿的特征。我们过去的研究只重视发展原料加工技术，降低原料的金属杂质，没有重视降低原料中气体和水的含量，并忽视了石英玻璃原料矿的矿物特征研究。
研究石英玻璃原料还受实验条件的限制。由于石英玻璃的熔制温度高达１８００℃，制备工艺特殊，做此类试验需要专门的设备和专业技术人员，在工厂中直接进行实验，成本相当高。我们研制了实验用的石英玻璃熔化设备，经过多次实验研究，掌握了石英玻璃的熔制工艺，可以进行原料质量的评估，并且与生产试验结果相吻合，缩短了实验周期和降低了研究成本。
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