劉煥敏 吳潔 楊學(xué)東

摘 要：GB/T 42800-2023《高純不透明石英玻璃》是由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)）于2023年5月23日發(fā)布，并于2023年12月1日起實(shí)施的新制定的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施之前，本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明及解釋， 有助于標(biāo)準(zhǔn)的順利使用和推廣。

關(guān)鍵詞：高純不透明石英玻璃，隔熱，試驗(yàn)方法，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.21.026

Interpretation of GB/T 42800-2023， High purity opaque quartz glass

LIU Huan-min* WU Jie YANG Xue-dong

（China Testing & Certifi cation International Group Co.， Ltd.）

Abstract： GB/T 42800-2023， High purity opaque quartz glass， is a new voluntary national standard of China， which was jointly issued by State Administration for Market Regulation （Standardization Administration of China） on May 23， 2023， and will be implemented from December 1， 2023. This paper interprets the main technical contents， which is helpful for its application and promotion.

Keywords： high purity opaque quartz glass， insulation， test method， national standard

0 引 言

石英玻璃是由二氧化硅單一組分構(gòu)成的特種工業(yè)技術(shù)玻璃[1]。高純不透明石英玻璃是石英玻璃分類中的一個(gè)重要產(chǎn)品，是以石英砂、發(fā)泡劑、白炭黑等為原料按一定比例混合，加熱成型，總雜質(zhì)含量不大于30 μg/g的不透明石英玻璃，其除在純度、熱學(xué)、耐化學(xué)侵蝕等方面具有普通石英玻璃突出的優(yōu)異性能外，還具有獨(dú)特的隔熱性能。這主要源于其內(nèi)部均勻分散大量微米級(jí)氣泡，能增加熱輻射線在材料內(nèi)部的散射，有效阻止熱損失，工業(yè)上常作為半導(dǎo)體、光伏等制造設(shè)備中反應(yīng)腔的隔熱材料，通過(guò)降低反應(yīng)腔向外的熱損失以節(jié)省成本，并且可以延長(zhǎng)加熱部件的壽命[2]。

20世紀(jì)90年代，日本信越、東曹，德國(guó)賀利氏等跨國(guó)企業(yè)已生產(chǎn)高純不透明石英玻璃，并在之后長(zhǎng)達(dá)二十多年一直處于壟斷地位。近幾年，國(guó)內(nèi)石英玻璃生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，掌握了生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提升，已達(dá)國(guó)外產(chǎn)品水平。隨著美國(guó)的技術(shù)封鎖和國(guó)家一系列利好政策的出臺(tái)，我國(guó)半導(dǎo)體、光通信、太陽(yáng)能光伏等產(chǎn)業(yè)以及航空航天業(yè)快速發(fā)展，高純不透明石英玻璃作為不可或缺的輔助材料，需求量及產(chǎn)量也將大幅提升，基于此我國(guó)需要制定針對(duì)其產(chǎn)品性能的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中遇到的質(zhì)量控制難題。

在此背景下，GB/T 42800-2023的發(fā)布不僅滿足了高純不透明石英玻璃快速發(fā)展的需求，也填補(bǔ)了行業(yè)空白，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了密度、光譜透射比、導(dǎo)熱系數(shù)、孔徑及孔隙率等和產(chǎn)品“隔熱”性能相關(guān)的內(nèi)容，本文將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)解讀。

1 標(biāo)準(zhǔn)制定背景及意義

目前，國(guó)外已規(guī)模化生產(chǎn)高純不透明石英玻璃的企業(yè)主要分布在日本、德國(guó)等，他們參照?qǐng)?zhí)行的一般是受到企業(yè)嚴(yán)格保密的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有國(guó)家、行業(yè)或區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品已規(guī)模化生產(chǎn)，但無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依，JC/T 182-2011《不透明石英玻璃制品》（產(chǎn)品應(yīng)用于化工、冶金、電力、建材）由于生產(chǎn)原料、產(chǎn)品純度和使用領(lǐng)域不同，無(wú)法滿足高純不透明石英玻璃的技術(shù)要求。

《高純不透明石英玻璃》標(biāo)準(zhǔn)制定實(shí)施后，將會(huì)改變國(guó)內(nèi)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺失的現(xiàn)狀，并會(huì)促使企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，按照嚴(yán)格的“標(biāo)準(zhǔn)化”生產(chǎn)，減少不合格品的產(chǎn)生，降低生產(chǎn)成本，增加利潤(rùn)的同時(shí)，節(jié)省勞動(dòng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；另外，也為高純不透明石英玻璃市場(chǎng)建立一個(gè)活動(dòng)準(zhǔn)則和依據(jù)，使市場(chǎng)有序化程度提高，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少貿(mào)易摩擦、促進(jìn)技術(shù)合作、推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步，都具有重要意義。

2 標(biāo)準(zhǔn)制定任務(wù)的提出

高純不透明石英玻璃標(biāo)準(zhǔn)于2020年由中國(guó)國(guó)檢測(cè)試控股集團(tuán)股份有限公司等單位提出立項(xiàng)申請(qǐng)，2020年4月1日國(guó)標(biāo)委批準(zhǔn)立項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)為20201518-T-609，歸口單位為全國(guó)工業(yè)玻璃和特種玻璃標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC 447）。

3 標(biāo)準(zhǔn)編制原則

在確保標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性、可靠性和適用性的基礎(chǔ)上，編制組參考了和高純不透明石英玻璃性能相關(guān)的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，包括JC/T 2205-2014《石英玻璃術(shù)語(yǔ)》、JC/T 1048-2018《單晶硅生長(zhǎng)用石英坩堝》、GB/T 3284-2015《石英玻璃化學(xué)成分分析方法》、GB/T 10701-2008《石英玻璃熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》、GB/T 5432《玻璃密度測(cè)定 浮力法》、GB/ T 22588《閃光法測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》等；采納了生產(chǎn)、加工企業(yè)及行業(yè)專家的意見；并嚴(yán)格遵照GB/T 1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的有關(guān)規(guī)定編寫該標(biāo)準(zhǔn)。

4 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容說(shuō)明

4.1 標(biāo)準(zhǔn)框架

標(biāo)準(zhǔn)正文包括范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語(yǔ)和定義、分級(jí)、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存共八章內(nèi)容。

4.2 范圍

本標(biāo)準(zhǔn)適用于半導(dǎo)體、光伏等領(lǐng)域具有隔熱作用的高純不透明石英玻璃材料。

高純不透明石英玻璃材料包括制品和石英玻璃碇。

4.3 分級(jí)

高純不透明石英玻璃按產(chǎn)品外觀質(zhì)量和雜質(zhì)元素含量分為半導(dǎo)體級(jí)和光伏級(jí)。由于半導(dǎo)體制程中對(duì)各種相關(guān)材料的外觀質(zhì)量、純度要求比光伏更嚴(yán)格，所以，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高純不透明石英玻璃的外觀質(zhì)量、雜質(zhì)元素含量根據(jù)使用需求做了不同的要求。

4.4 要求

高純不透明石英玻璃作為石英玻璃分類中的一個(gè)重要產(chǎn)品，除具有普通石英玻璃優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐熱性等外，還具有多孔、隔熱等獨(dú)特性能。標(biāo)準(zhǔn)文件第5章“要求”中規(guī)定了產(chǎn)品在密度、光譜透射比、熱穩(wěn)定性、耐熱性、導(dǎo)熱系數(shù)、雜質(zhì)元素含量、最大孔徑、孔徑標(biāo)準(zhǔn)偏差、孔隙率及孔隙率標(biāo)準(zhǔn)偏差等項(xiàng)目的要求。

4.4.1 規(guī)格尺寸及尺寸偏差

由于檢測(cè)樣品有可能是制品，也可能是石英玻璃碇，而且制品規(guī)格尺寸不一，種類繁多，很難統(tǒng)一要求，所以由供需雙方共同商定。

4.4.2 密度

密度是直觀反映產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標(biāo)，產(chǎn)品強(qiáng)度、隔熱性能等均與密度相關(guān)，密度過(guò)小，強(qiáng)度低，加工過(guò)程中容易炸裂，密度過(guò)大，孔隙率低，產(chǎn)品的隔熱性能差，所以，將密度限定在不大于2.15 g/ cm3且不小于1.90 g/cm3的一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

4.4.3 光譜透射比

由于高純不透明石英玻璃內(nèi)部存在大量密集的微小氣泡，使其內(nèi)部存在玻璃與氣體二相系，其中氣泡相的折射率為1，石英相的折射率為1.55。紫外光、可見光和紅外光在二相系中多次折射、反射、散射，形成散射效應(yīng)，使可見光和紅外光的透過(guò)率由原來(lái)透明石英玻璃的約92%，降至0.5%～2%，幾乎將能量大部分吸收，而轉(zhuǎn)為Si-O鍵的分子振動(dòng)，從而產(chǎn)生隔熱效果。前期調(diào)研中發(fā)現(xiàn)各相關(guān)企業(yè)的光譜透射比測(cè)試波段及樣品厚度要求不太一致，經(jīng)編制組及與會(huì)專家討論，并結(jié)合驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)光譜透射比制定了統(tǒng)一的、合理的技術(shù)指標(biāo)，即厚度為5 mm的高純不透明石英玻璃在380～3000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜透射比應(yīng)小于1.0%。

4.4.4 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)價(jià)高純不透明石英玻璃隔熱性能的一個(gè)重要指標(biāo)。導(dǎo)熱系數(shù)低表明高純不透明石英玻璃導(dǎo)熱能力弱，即隔熱能力強(qiáng)，但低導(dǎo)熱系數(shù)的產(chǎn)品密度低，產(chǎn)品的強(qiáng)度小，實(shí)際加工切割時(shí)，密度低于1.90 g/cm3的產(chǎn)品容易炸裂；導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)高，產(chǎn)品的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，但隔熱性能差。所以，需要把導(dǎo)熱系數(shù)值限定在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。國(guó)外同類產(chǎn)品中，無(wú)論日本還是德國(guó)企業(yè)，均是以室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)作為材料的技術(shù)指標(biāo)。為保持一致性，本標(biāo)準(zhǔn)也以室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表征。根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，確定了20℃下產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)為不大于1.25 W/（m·K）且不小于1.00 W/（m·K）。

4.4.5 雜質(zhì)元素含量

高純不透明石英玻璃無(wú)論是應(yīng)用于光伏還是半導(dǎo)體等工業(yè)領(lǐng)域，都要求高純度，相對(duì)而言半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)材料純度的要求比光伏更加嚴(yán)苛。半導(dǎo)體材料和器件在制備過(guò)程中用時(shí)較長(zhǎng)，而且都需要高溫，而這些工藝過(guò)程又都是在石英玻璃儀器和器皿中完成的，如果石英玻璃雜質(zhì)含量超標(biāo)，會(huì)擴(kuò)散至半導(dǎo)體材料和器件，這就不可避免地給半導(dǎo)體材料和器件帶來(lái)污染[3]。

微量的污染對(duì)石英玻璃質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生很大影響。例如，過(guò)量的Li、Na、K等堿金屬元素會(huì)加速石英玻璃的析晶，影響石英玻璃的熱學(xué)性能，降低石英玻璃的軟化點(diǎn)，在硅單晶制造過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致坩堝坍塌，使硅單晶無(wú)法進(jìn)行生長(zhǎng)；Al和B結(jié)合會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵，增強(qiáng)石英玻璃的析晶作用，在拉制單晶硅過(guò)程中，過(guò)量的B會(huì)改變硅單晶的目標(biāo)電阻率性能；而過(guò)渡金屬元素Cu、Fe、Ti等過(guò)量不僅導(dǎo)致石英玻璃高溫變色，還會(huì)促進(jìn)石英玻璃析晶，更對(duì)硅單晶的電學(xué)性質(zhì)有著致命影響，能嚴(yán)重降低器件的性能[1]。所以，本標(biāo)準(zhǔn)不僅對(duì)雜質(zhì)元素總量作了限定，還對(duì)堿金屬元素Li、Na、K及Al、Fe、B、Cu、Ti含量也作了限定。

4.4.6 孔徑及孔隙率

對(duì)于內(nèi)部存在大量密集微小氣泡的高純不透明石英玻璃，氣泡大小和氣泡分布的均勻性對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度、隔熱性能等都會(huì)產(chǎn)生重要影響。氣泡大小用孔徑來(lái)評(píng)價(jià)，如果氣泡孔徑太大，其周圍會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，產(chǎn)品在加工過(guò)程中容易引起炸裂，因而需要限定最大孔徑；孔徑標(biāo)準(zhǔn)偏差可以評(píng)價(jià)孔徑分布范圍，孔徑標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，孔徑分布范圍越窄，氣泡大小越均勻，避免了應(yīng)力在大泡孔處集中而降低產(chǎn)品強(qiáng)度；孔隙率大小反映了產(chǎn)品中氣泡占比，只有保持適宜的孔隙率，產(chǎn)品才具有較好的隔熱性能；孔隙率標(biāo)準(zhǔn)偏差是評(píng)價(jià)產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)、氣泡整體分布均勻性的一個(gè)指標(biāo)，不同樣塊之間的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表明產(chǎn)品整體均勻性越好。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果確定最大孔徑應(yīng)小于300.0 μm，孔徑標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于40.0 μm ，孔隙率應(yīng)大于2.0%且小于10.0%，孔隙率標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于1.0%。

以上各試驗(yàn)項(xiàng)目“要求”指標(biāo)均建立在充分驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上。前期，編制組收集國(guó)內(nèi)外不同生產(chǎn)廠家，多個(gè)批次的樣品，對(duì)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行了大量驗(yàn)證試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和合格率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，編制組還匯總了實(shí)驗(yàn)室近幾年的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并參考了多個(gè)生產(chǎn)廠家提供的內(nèi)控指標(biāo)和日常檢測(cè)數(shù)據(jù)，這些都成為標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中的重要依據(jù)，指標(biāo)制定合理、充分。

4.5 試驗(yàn)方法

本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)項(xiàng)目的試驗(yàn)方法、樣品要求及取樣方法都作了詳細(xì)規(guī)定，以保證試驗(yàn)過(guò)程的一致性。4.5.1 密度試驗(yàn)方法的確定

密度按GB/T 5432-2008《玻璃密度測(cè)定 浮力法》規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)比了浮力法和質(zhì)量體積比法，結(jié)果顯示差別在小數(shù)點(diǎn)后第三位，可視為兩種方法無(wú)明顯差別。浮力法測(cè)試過(guò)程中樣品表面無(wú)可見氣泡，對(duì)檢測(cè)結(jié)果無(wú)影響，且此方法不會(huì)因裁切尺寸有偏差，樣品形狀不規(guī)則影響測(cè)試結(jié)果。兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1。

4.5.2 光譜透射比試驗(yàn)方法的確定

由于高純不透明石英玻璃內(nèi)部有大量微小氣孔，對(duì)光的散射能力較強(qiáng)，所以其規(guī)則光的光譜透射比和散射光的光譜透射比差異較大，國(guó)際上均采用規(guī)則光表征樣品性能。因此，本標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際檢測(cè)方法保持一致，用分光光度計(jì)測(cè)量試樣在 380～3000 nm范圍內(nèi)規(guī)則光的光譜透射比。

4.5.3 熱穩(wěn)定性及耐熱性試驗(yàn)方法的確定

考慮到高純不透明石英玻璃使用溫度為1100℃，短時(shí)高達(dá)1260℃，所以，本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱穩(wěn)定性及耐熱性（高溫形變）恒溫溫度都設(shè)定為1200℃。

熱穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)分別做了試樣在1200℃±10℃下恒溫30分鐘、1小時(shí)、6小時(shí)的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有區(qū)別，說(shuō)明樣品在1200℃下保持30分鐘已達(dá)到恒溫狀態(tài)，所以，將恒溫時(shí)間定為30分鐘。另外，由于高純不透明石英玻璃使用過(guò)程中不涉及急冷急熱的情況，所以按GB/T 10701規(guī)定的空氣冷卻法（B法）進(jìn)行檢驗(yàn)，試樣取出后在空氣中冷卻至室溫。

標(biāo)準(zhǔn)在耐熱性試驗(yàn)中對(duì)試樣、試驗(yàn)設(shè)備（包括高溫爐和耐熱支架）都作了具體要求。由于產(chǎn)品在使用中無(wú)負(fù)載，所以，試驗(yàn)條件不考慮負(fù)載。

4.5.4 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法的確定

導(dǎo)熱系數(shù)在石英玻璃類產(chǎn)品中不是一個(gè)常見的檢測(cè)項(xiàng)目，查閱國(guó)內(nèi)外資料均未找到可供參考的具體測(cè)試方法。起草初期，編制組和研發(fā)生產(chǎn)單位及科研院所進(jìn)行了充分溝通討論，并查閱了一些隔熱產(chǎn)品的文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)地摸索和試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了用閃光法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)，依照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 22588-2008《閃光法測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》。

4.5.5 孔徑及孔隙率試驗(yàn)方法的確定

高純不透明石英玻璃是一種外觀不透明的多孔材料，對(duì)孔隙率、孔徑等的分析可參考的方法比較少，需建立一個(gè)新的測(cè)試方法。電鏡結(jié)果顯示材料內(nèi)部分布的是封閉且獨(dú)立的圓形或橢圓形氣孔，無(wú)論工具顯微鏡還是電鏡都無(wú)法看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體情況。電鏡只能準(zhǔn)確測(cè)量樣品局部的單個(gè)孔徑，無(wú)法測(cè)量孔隙率，而壓汞法、氣體吸附法只適用于開孔結(jié)構(gòu)的孔分析，不適用于本產(chǎn)品。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明面積法適用于本產(chǎn)品，從每個(gè)測(cè)試樣品的不同部位切取3塊試樣，對(duì)試樣表面研磨至平整，用黑色墨汁或黑色油性筆將測(cè)試面涂黑，待涂抹層干透后用粒徑小于10μm的白色粉末填補(bǔ)氣孔，測(cè)試每塊樣品20 mm×20 mm區(qū)域內(nèi)的孔徑及孔隙率，取最大孔徑并計(jì)算每塊試樣的孔徑標(biāo)準(zhǔn)偏差及3塊試樣的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)偏差。附圖說(shuō)明如圖1～4。

5 結(jié) 語(yǔ)

本標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，確定了高純不透明石英玻璃的技術(shù)指標(biāo)，并統(tǒng)一了檢測(cè)方法和結(jié)果評(píng)價(jià)。本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的主要內(nèi)容、制定依據(jù)及試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳盡的解釋和說(shuō)明，以方便標(biāo)準(zhǔn)的使用和推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]王玉芬，劉連城.石英玻璃[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]王友軍，花寧，隋鎂深，等.一種不透明石英玻璃及其制備方法：CN110156303A[P].2019-08-23.

[3]譚麗芳，潘國(guó)璋.石英玻璃中雜質(zhì)擴(kuò)散對(duì)半導(dǎo)體材料和器件的影響及其改進(jìn)措施[J].玻璃，1983（5）：20-22.

作者簡(jiǎn)介

劉煥敏，本科，工程師，從事石英玻璃及安全玻璃科研、檢測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

（責(zé)任編輯：袁文靜）