中國粉體網(wǎng)訊 石英玻璃擁有極低的熱膨脹系數(shù)（約為5.5×10^-7/℃），僅為陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20。研究表明，在石英玻璃中摻雜二氧化鈦可進(jìn)一步降低膨脹系數(shù)，可比普通石英玻璃再低1~2個(gè)數(shù)級(jí)，得到超低膨脹系數(shù)石英玻璃。在特定溫度范圍內(nèi)，超低膨脹系數(shù)石英玻璃的膨脹系數(shù)甚至可以達(dá)到0，即使在極冷極熱或溫度變化比較大的極端環(huán)境中依然擁有優(yōu)異的工作穩(wěn)定性。

超低膨脹石英玻璃的制造技術(shù)

通常制備摻雜石英玻璃的方法主要包括多孔二氧化硅浸潤法、溶膠-凝膠摻雜、火焰水解沉積、粉體摻雜、對(duì)二氧化硅粉料進(jìn)行液體摻雜等，目前對(duì)于制備摻雜二氧化鈦的超低膨脹石英玻璃采用火焰水解沉積法較為常見，具有成熟的工業(yè)應(yīng)用。

火焰水解沉積法

直接合成法：化學(xué)氣相沉積（CVD）作為火焰水解沉積（FHD）法其中的一種，是指利用氣相含硅和含鈦化合物原料（如SiCl₄、TiCl₄）在氫氣-氧氣火焰中高溫水解生成SiO₂-TiO₂微粒，并逐層沉積在旋轉(zhuǎn)的基體上直接制備摻鈦石英玻璃的工藝。

間接合成法制備摻鈦石英玻璃是相對(duì)于原料經(jīng)高溫一步直接制得石英玻璃的直接合成法而言的。在以氣相軸向沉積（VAD）工藝、管外氣相沉積（OVD）工藝為代表的間接合成法中，在較低溫度下沉積得到SiO₂-TiO₂疏松體，隨后疏松體經(jīng)脫羥、摻雜、燒結(jié)及冷卻等過程最終得到摻鈦的石英玻璃。

溶膠-凝膠法

以金屬醇鹽作為原料，通過水解和縮合反應(yīng)形成由固體顆粒網(wǎng)絡(luò)和周圍液體組成的凝膠，隨后通過溶劑交換、超臨界干燥、預(yù)固化處理等方式進(jìn)行干燥，除去凝膠內(nèi)的液體得到相互連接的顆粒，最終通過加熱至足夠溫度形成玻璃體。

協(xié)同制備法

通過VAD工藝合成純二氧化硅的多孔坯體，然后利用ALD工藝首先將二氧化硅納米顆粒表面的羥基作為錨定基團(tuán)與摻雜前體TiCl₄接觸，使得鈦原子與其發(fā)生鍵合形成納米顆粒表面的第一層原子層。再引入水蒸氣發(fā)生反應(yīng)將氯原子以鹽酸的形式去除，并重新形成和激活原子表面的羥基。通過重復(fù)此反應(yīng)循環(huán)對(duì)坯體進(jìn)行摻雜并確保多孔體中摻雜濃度的均勻性，最終將多孔坯體在1400℃下經(jīng)過固化得到了SiO₂-TiO₂玻璃材料。

其他方法

如氟化處理法，制備氟化石英玻璃（膨脹系數(shù)＜5×10^-3/K），可用于EUV光刻鏡基材。

超低膨脹石英玻璃的應(yīng)用

極紫外光刻

在極紫外光刻（EUVL）領(lǐng)域，超低膨脹石英玻璃是實(shí)現(xiàn)近衍射極限分辨率的關(guān)鍵材料。由于光刻技術(shù)從193nm向13.5nm工藝升級(jí)后，光學(xué)系統(tǒng)由折射轉(zhuǎn)為反射，且曝光過程中光學(xué)元件局部溫度會(huì)從室溫升至40-110℃，微小熱膨脹便可能降低光束質(zhì)量、影響光刻精度。而超低膨脹石英玻璃具備近零熱膨脹系數(shù)（CTE）與低峰谷CTE變化，能最大限度減少溫度波動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)械或光學(xué)畸變，還因膨脹系數(shù)離散小、殘余應(yīng)力小、拋光精度高等特點(diǎn)，可滿足光刻物鏡組反射鏡與光掩膜基板的嚴(yán)苛需求。

大口徑輕質(zhì)反射鏡

在大口徑輕質(zhì)反射鏡領(lǐng)域，超低膨脹石英玻璃適配航空航天與天文光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展需求。隨著望遠(yuǎn)鏡等大型光學(xué)設(shè)備向大口徑演進(jìn)，反射元件需兼具高輕量化率與低膨脹特性以維持面形精度，而超低膨脹石英玻璃不僅熱膨脹系數(shù)極低，還具備優(yōu)良的冷熱加工與可焊接能力，可通過高溫熔接、低溫熔接等工藝制成封閉式蜂窩結(jié)構(gòu)，在輕量化（面密度可小于10kg/m²）的同時(shí)保證抗變形強(qiáng)度。

光頻原子鐘

在光頻原子鐘領(lǐng)域，超低膨脹石英玻璃是制造超穩(wěn)光學(xué)腔體的核心選擇。光鐘需依托高穩(wěn)定光學(xué)頻率實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)量，而超穩(wěn)光學(xué)腔作為超穩(wěn)窄線寬激光的頻率基準(zhǔn)，對(duì)腔長穩(wěn)定性要求極高。超低膨脹石英玻璃在零膨脹溫度點(diǎn)下，腔長對(duì)溫度極不敏感，結(jié)合超高真空環(huán)境與高精度控溫，可大幅減少環(huán)境干擾，提升測量穩(wěn)定性、降低漂移。

2025年11月20-21日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2025第九屆全國石英大會(huì)暨展覽會(huì)”將在江蘇徐州召開，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司的樊明軒博士將做《超低膨脹石英玻璃的制造與應(yīng)用》的報(bào)告，屆時(shí)，他將詳細(xì)解讀超低膨脹石英玻璃的制造與應(yīng)用等關(guān)鍵問題，為行業(yè)同仁提供極具價(jià)值的參考與借鑒。

參考來源：

劉小舟,劉俊龍,樊明軒等.超低膨脹石英玻璃的制造及應(yīng)用

劉志龍,耿愛霞,毛露路,等.超低膨脹玻璃的發(fā)展及應(yīng)用

(中國粉體網(wǎng)編輯整理/九思)

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