其中包括
- 高化学纯度和耐腐蚀性
- 高软化温度和耐热性
- 低热膨胀率和抗热冲击能力强、
- 从紫外波段到红外波段范围内的高透过率
- 高抗辐射性
关于 SiO2 和其他玻璃类型
二氧化硅 - 玻璃 - 石英 - 熔融石英
二氧化硅（SiO2) 是玻璃最简单的化学成分。石英是常温常压条件下最稳定的晶体结构。石英是地壳中最常见的矿物之一。玻璃（源于 “glasa”，日耳曼语，意为光芒闪烁的琥珀）也由硅和氧化物组成，却是一种均质的非晶固体材料。许多玻璃品种都是清晰透明的。这意味着可见光可透过这些材料。此物质一般都统称为玻璃。透明材料允许光线通过，而不会出现漫射（散射）现象。
最常见的玻璃类型
至少在 2000 年前，人类就学会了如何降低玻璃软化温度，方法是在加热前加入石灰石和苏打，这样玻璃就含有氧化钠和氧化钙。
玻璃 - 添加剂和玻璃的工业用途
玻璃作为一种最古老但也非常重要的工业材料，其使用与添加剂的应用息息相关。苏打（碳酸钠，Na2CO3钾肥（碳酸钾，K2CO3）、氧化锰和金属氧化物会影响玻璃的性能。人造玻璃是将石英砂、苏打和石灰混合后加热到高温至熔融形态后形成的一种材料。玻璃可以由纯二氧化硅制成，但石英玻璃（又称石英）的玻璃化转变温度很高，约为 1200°C，因此很难制成玻璃窗或玻璃瓶。
石英玻璃是最纯净的 SiO2 因此其价值更高，变化形式也更为复杂。透过率高的玻璃可用于制作光纤。因此，合成石英玻璃可用于传输数千米的光线。许多玻璃都不透紫外线，但只有纯熔融石英（仅限 SiO2）可穿过波长< 350nm（紫外线）的光线。石英玻璃也可制成不透明的、不同色泽的石英玻璃，具有不同的物理和化学特性，如可透过或吸收特定波长（滤光玻璃）。贺利氏的不透明材料，OM® 100，还可用于隔热或散射红外光。
原材料
乍一看，石英玻璃的化学成分和结构都非常简单，因为它由单一的氧化物成分构成（二氧化硅 - SiO2)。
化学结构
二氧化硅，又称硅石，在地壳中随处可见。然而，只有一小部分具有足够的纯度（> 99.98 %），适合用作石英玻璃的原材料。海滩上的沙子也是 SiO2,但不适合用于半导体行业。
石英和熔融石英的结构
石英玻璃结构中的所有原子都至少与另外两个原子结合在一起。硅氧（Si-O）键强大的键合力使石英玻璃具有高温稳定性和耐化学性。但该结构也相当松散，结构单元之间有宽阔的空间（间隙）。这使得石英玻璃比其他材料的透气性更佳，同时热膨胀系数更低。
晶态SiO2 结构
玻璃态SiO2 结构
化学纯度
纯度对大多数工业应用和工艺都至关重要。熔融石英纯度极高，因此是制造高科技产品不可或缺的材料。
即使杂质含量并不高，也会造成非常严重的影响。纯度主要取决于原材料、制造方法和后续加工流程。生产的每个环节都必须采取特别的预防措施，以保持高纯度。此外，贺利氏还采用不同的净化步骤来进一步提高石英砂原料的质量。
最常见的杂质是金属（如 Al、Na 和 Fe 等）、水（以羟基基团形式存在）和氯。这些杂质不仅会影响石英玻璃的粘度、光学吸收和电气性能。它们还会影响在最终应用中与石英玻璃接触的材料的性质。
石英玻璃和合成熔融石英的纯度都非常高。贺利氏合成熔融石英的总金属杂质含量低于 1ppm。对于天然熔融石英，其中的含量约为 20ppm，主要包括 Al2O3 和少量的碱金属、Fe2O3、TiO2、MgO 和 ZrO2。
羟基含量
除金属杂质外，天然石英玻璃和合成熔融石英中还含有以羟基基团形式存在的水。羟基含量会影响衰减和粘度等物理性质。一般来说，羟基含量较高意味着使用温度较低。典型值见下表。电熔石英的羟基含量最低（< 1-30ppm），因为它通常是在真空或干燥环境中制成的。此范围内的羟基含量在玻璃结构中并不固定。其数值可能有所偏差，具体取决于高温环境中石英玻璃的热处理工艺和湿度。焰熔石英的羟基含量要高得多（150-200ppm），因为熔融是在氢/氧火焰中进行的。由于生产工艺不同，合成熔融石英的羟基含量也很高，最高可达 1000ppm。
化学行为
通过火焰水解四氯化硅产生的合成熔融石英的羟基含量可能很高（> 1000 ppm），也可能很低，具体取决于是否采用了热氯化工艺来去除羟基。羟基含量之所以如此之高，是因为水解反应产生的二氧化硅颗粒非常细小，因此具有极大表面积，能够吸收火焰中的水分。
电熔材料的主要特点是羟基含量低、析晶速度低。羟基含量低可提高红外光透过率和粘度。粘度越高则使用温度越高，同时析晶速度较低。析晶速度还与熔融时的中性/还原性环境有关。这会导致材料轻微缺氧，从而有助于抑制蜕变。
石英玻璃对元素和化合物的高耐受性是将其用于高端应用的另一大优势。熔融石英具有出色的耐水、耐盐溶液和耐酸性能。它只受氢氟酸和磷酸的腐蚀。除碱和碱土金属外，不含氧的金属不会与石英玻璃或合成熔融石英产生化学反应。
石英玻璃极易与碱金属和碱土金属产生反应，因此，即使只是含量极少的碱金属和碱土金属也会导致高温环境下的析晶作用加速。建议在加热前用酒精擦除石英玻璃上含有微量碱的指纹。
热性能
石英玻璃最吸引人的特点之一是其热膨胀系数（CTE）非常低。石英玻璃的平均 CTE 值约为 5.0 × 10 -7/°C，远低于其他常见材料。试想一下，如果1m3 的不锈钢、硼硅玻璃和石英器皿被同时放置在火炉上并加热至 500°C。不锈钢块的体积会膨胀 28 升以上，硼硅玻璃的体积将膨胀 5 升。而石英膨胀不到一升。如此低的膨胀率使这种材料能够承受非常剧烈的热冲击。
将石英玻璃薄片投入冷水中，可以迅速将其从超过1000°C的高温中淬火冷却而不破裂。不过，必须认识到，耐热冲击性取决于 CTE 以外的其他因素，如表面状况（决定其强度）和几何结构。各类石英玻璃和合成熔融石英的 CTE 几乎完全一致，因此可以拼接在一起，不会增加骤热引起的碎裂风险。
技术性能
电熔石英
焰熔石英
熔融石英
热数据
软化温度（°C）
退火温度（°C）
变形温度（°C）
最高连续工作温度 (°C)
最高短期工作温度 (°C)1710
1220
1125
1160
13001660
1160
1070
1110
12501600
1100
1000
950
1200平均比热
（J/kg · K）0 ...100 °C
0 ...500 °C
0 ...900 °C772
964
1052772
964
1052772
964
1052导热系数
(W/m · K）20 °C
100 °C
200 °C
300 °C
400 °C
950 °C1.38
1.47
1.55
1.67
1.84
2.681.38
1.47
1.55
1.67
1.84
2.681.38
1.47
1.55
1.67
1.84
2.68平均热膨胀系数
(K-1)0 ...100 °C
0 ...200 °C
0 ...300 °C
0 ...600 °C
0 ...900 °C
- 50 ...0 °C5.1 × 10-7
5.8 × 10-7
5.9 × 10-7
5.4 × 10-7
4.8 × 10-7
2.7 × 10-75.1 × 10-7
5.8 × 10-7
5.9 × 10-7
5.4 × 10-7
4.8 × 10-7
2.7 × 10-75.1 × 10-7
5.8 × 10-7
5.9 × 10-7
5.4 × 10-7
4.8 × 10-7
2.7 × 10-7机械性能
机械性能、强度和可靠度
石英玻璃的理论抗拉强度大于 100 万psi。遗憾的是，实际观测到的强度一般都是远远低于这一数值。原因在于玻璃的实际强度是由外在因素决定的，而不仅仅是化学与原子结构的结果，化学与原子结构是像密度这样的内在属性。石英玻璃成品的强度和可靠性最终取决于表面质量、设计方案以及大气中的化学效应（尤其是水蒸气）。由于应力集中在表面缺陷上，因此大部分碎裂总是发生在承受张力处而非压力处。
换句话说：“可靠度取决于几率”。
也就是说，石英玻璃制品承受的机械应力概率大于任何现有缺陷强度的概率。由于这种对概率的依赖性，可靠性会随着玻璃制品尺寸的增大而降低。同样，如果待加工的玻璃制品数量增加，那么碎裂几率也将随之提升。
表面质量非常重要。例如，机加工表面往往比火抛光表面更脆弱。此外，由于受到灰尘、湿气或正常磨损的影响，旧表面通常比新表面更脆弱。在比较不同“品牌”石英玻璃的强度时，必须充分考虑这些因素。
这是因为现实中这些测试往往只是对样品制备过程中的表面质量进行比较，其中的微小差异很容易掩盖内在强度差异。
机械数据
电熔石英
焰熔石英
熔融石英
密度 (g/cm3)
2.203
2.203
2.201
莫氏硬度
5.5 ...6.5
5.5 ...6.5
5.5 ...6.5
微硬度 (N/mm2)
8600 ...9800
8600 ...9800
8600 ...9800
努氏硬度 (N/mm2)
5800 ...6100
5800 ...6100
5800...6200
20°C 时的弹性模量（N/mm2)
7.25 × 104
7.25 × 104
7.25 × 104
扭转模量（N/mm2)
3.0 × 104
3.1 × 104
3.0 x 104
泊松比
0.17
0.17
0.17
抗压强度（估值）（N/mm2)
1150
1150
1150
抗拉强度（估值）（N/mm2)
50
50
50
抗弯强度（估值）（N/mm2)
67
67
67
扭转强度（估值）（N/mm2)
30
30
30
声速 (m/s)
5720
5720
5720
光学性能
熔融石英的光学性能为科研和行业发展提供了良好的机会：宽广的透明传输范围覆盖了整个可见光谱，并延伸至红外和紫外区域。材料的纯度和制造工艺会影响透过率。此外，还可以通过添加掺杂材料等方式定制传输范围，以满足您的应用需求。
石英玻璃的紫外和红外截止波长分别约为 0.180 和 3.5 微米。当光子能量超过硅氧带隙能量时，电子跃迁开始，从而形成紫外截止波长。硅氧网络的晶格（多声子）振动产生红外截止波长。
各类泛频峰——源于基频 SiO4 首先观察到的是四面体振动模式。杂质的存在会进一步改变这些截止波长。金属杂质导致紫外截止波长更长。水（OH）导致吸收光带的波长小于红外波段。其中最强吸收峰位置为 2.73 微米处为 O-H 延长带。
电学性能
可控的热管理和维持高温在许多工业流程中都起着至关重要的作用，在半导体行业尤为如此。
熔融石英是一种良好的电绝缘体，高温下仍能保持高电阻率和出色的高频特性。硅氧键电子结构中固有的宽带隙导致其导电性为移动的杂质离子所携带的电流所限制。由于这些杂质的含量非常低，因此其电阻率相对较高。
因为离子的导电性与离子载流子的扩散系数有关，因此电阻率也会随温度发生指数变化。因此，与金属等典型导体不同，其电阻率会随着温度的升高而降低。
石英玻璃的介电常数约为4，明显低于其他种类的玻璃。该值在较宽泛的频率范围内变化不大。介电常数低的原因同样是缺乏高电荷的移动离子，但也来自硅氧网络的刚性，它使结构的极化率非常低。
参数
电熔石英
焰熔石英
熔融石英
电阻率（Ω × m）
20 °C
400 °C
800 °C
1200 °C1018
1010
6.3 × 106
1.3 × 1051018
1010
6.3 × 106
1.3 × 1051016
1010
6.3 × 106
1.3 × 105绝缘强度（KV/mm）
(样品厚度≥ 5mm）20 °C
500 °C25 ...40
4 ...525 ...40
4 ...525 ...40
4 ...5介质损耗角 (tg δ)
1 kHZ
1 MHz
30 GHz5.0 × 10 -4
1.0 × 10 -4
4.0 × 10 -45.0 × 10 -4
1.0 × 10 -4
4.0 × 10 -45.0 × 10 -4
1.0 × 10 -4
4.0 × 10 -4介电常数 (ε)
20 °C：0 ...106 Hz
23 °C：9 × 108 Hz
23 °C：3 × 1010 Hz3.70
3.77
3.813.70
3.77
3.813.70
3.77
3.81光诱导损伤
由于合成熔融石英在真空紫外光谱范围内的吸收率非常低（1mm 厚度的截止点约为 160nm），因此可用于高能激光应用中的镜头，以及准分子灯或氘灯等紫外光源的包封材料。根据确切的实验条件，如脉冲激光应用中的波长、能量密度和峰值强度，玻璃可能会出现各种损伤情况。
极高的激光强度下，光致电离 和 等离子体生成 可在玻璃的特定位置局部发生。这种机械损伤通常出现在光学元件的前表面或后表面。可能发生的类似机械损伤包括沿着激光束的传播方向在玻璃内部形成的 微小孔道 。
除了这些可见的损伤外，还有一种更微妙的损伤机制，即 缺陷中心 (有时也称为色心）是在玻璃照射下的光化学过程中产生的。这些中心会导致特征波长的吸收。例如 E'中心 吸收最大值为 215nm 和非桥氧空穴 (NBOH)中心的 265nm。NBOH 空穴还会在其吸收波段被激发时发出 红色荧光 ，波长约为 650nm。这些缺陷还会与玻璃中溶解的氢产生反应。氢可以钝化E'中心产生 SiH 基团，钝化 NBOH 中心产生 SiOH 基团，从而减少这些缺陷在吸收波长处的透射损失。因此，氢浓度通常在生产过程中进行精确控制，并在分析实验室中通过拉曼光谱进行测量。
第三种可能发生的损伤是 折射率变化 在辐照条件下，玻璃网络重组导致硅玻璃发生变化。折射率可能增加（称为压实），也可能降低（稀释），这取决于石英玻璃的类型和辐照条件。
