石英玻璃结构、结构弛豫与性能稳定性研究

性能稳定的"长寿命"石英玻璃是高科技领域的关键材料，研究石英玻璃的结构弛豫及其与结构、性能的关系是制备"长寿命"石英玻璃的基础。本项目拟结合石英玻璃制备、热处理与表面加工处理技术，系统分析玻璃体相、表面及亚表面结构与缺陷特征，探明缺陷成因；通过弛豫过程的动力学研究，阐明不同结构与缺陷对弛豫过程的影响及其机理，以及体相弛豫与表面弛豫的不同特征；并分析弛豫过程中玻璃结构与基本性能的演变规律，阐明结构与缺陷对性能稳定性的影响及其机理；在此基础上，运用分子动力学方法构建基于结构表征与性能预测的结构弛豫理论模型，并结合相关工艺提出改善石英玻璃性能稳定性的指导思路，从而为"长寿命"石英玻璃的研制与应用提供坚实的理论支撑。研究将对改善石英元器件的长期稳定性、拓展石英玻璃的应用起到重要作用；相关研究对于进一步认识非平衡态玻璃结构、促进玻璃科学技术的发展，亦有一定的理论价值。

本项目结合石英玻璃的制备、热处理与表面加工清洗工艺，系统分析了石英玻璃体相、表面及亚表面结构与缺陷特征以及缺陷形成机理，研究不同结构与缺陷对石英玻璃结构弛豫过程的影响及其机理，分析弛豫过程中石英玻璃结构与性能的演变规律，并提出改善石英玻璃性能稳定性的技术途径，完成了项目的研究计划。得到的结论主要有：（1）由于原料和制备工艺影响，不同类型石英玻璃的体相结构及其缺陷存在较大差异。Ⅲ、Ⅳ类合成石英玻璃的宏观结构缺陷与金属杂质含量远小于Ⅰ、Ⅱ类石英玻璃；但Ⅲ类玻璃的羟基含量最高，且分布很不均匀。（2）高温均化可基本消除石英玻璃中的气泡、条纹等宏观缺陷，使羟基分布更为均匀；精密退火可最大限度地消除热应力，进一步提高石英玻璃结构均匀性和稳定性。（3）石英玻璃表面、亚表面结构取决于表面加工、清洗技术。CMP抛光可获得埃米级表面粗糙度，表面无划痕，比古典抛光更易获得稳定的表面、亚表面质量。（4）热历史与结构缺陷是影响石英玻璃结构弛豫过程及其性能稳定性的主要内在因素。气泡、颗粒、条纹等宏观缺陷破坏石英玻璃的长程结构均匀性，羟基、碱性金属离子等微观缺陷打断[SiO4]四面体网络中的桥氧键，从而削弱石英玻璃结构、促进结构弛豫、导致稳定性差；而表面缺陷与亚表面损伤导致石英玻璃表面弛豫比体相弛豫速度更快。（5）消除结构缺陷、提高结构均匀性、降低假想温度是改善石英玻璃体相稳定性的主要途径，950℃可作为体相假想温度的下限值；采用球形、纳米级SiO2抛光液的CMP技术和表面活性剂清洗技术是改善石英玻璃表面稳定性的有效途径。本项目研究成果应用于棱镜型激光陀螺的核心元件石英全反射棱镜的制备与加工，明显提高了陀螺合格率并降低生产成本。