中国粉体网讯  相较于其他低膨胀石英玻璃，SiO₂-TiO₂石英玻璃的热膨胀系数更低，在一定温度范围内甚至可以做到零膨胀或负膨胀，因此掺钛石英玻璃又被称为超低膨胀石英玻璃。超低膨胀石英玻璃具有极低的热膨胀系数，是半导体光刻设备用光学元件、天文望远镜反射镜、原子钟腔体等高新技术领域的关键材料。

超低膨胀石英玻璃的制备方法

化学气相沉积法

直接合成法又被称为化学气相沉积（CVD）法，等离子体化学气相沉积（PVCD）法、管外气相沉积法和气相轴向沉积（VAD）法的主要原理都是基于气相沉积法。

将含硅、含钛的原料混合均匀后，通过氢氧气燃烧器发生水解反应形成掺杂二氧化钛的二氧化硅微粒，微粒由气流引导沉积至坩埚内，通过旋转及自由流动铺满坩埚，依靠坩埚控制成型即可得到超膨胀合成石英玻璃。硅原料主要选用含硅的有机化合物如四氯化硅、四氟化硅、八甲基环四硅氧烷等，钛原料选用如四氯化钛、四异丙氧基钛、四（二甲氨基）钛等。为使原料混合更加均匀，通常将原料预先进行气化，以气体状态参与后续反应。在整个反应过程中包含氧化与水解两类反应，相较于氧化反应，水解反应更容易发生，但当氧气过量即氧气和水蒸气共存时，氧化反应和水解反应则可能会同时进行。

CVD法制备SiO₂-TiO₂玻璃

采用化学气相沉积法制备SiO₂-TiO₂玻璃在一定程度上可以避免引入金属杂质，但由于反应过程中有水蒸气参与，导致使用该方法制备的SiO₂-TiO₂玻璃中羟基含量较高且难以控制。

间接合成法

气相轴向沉积法和和管外气相沉积法均属于间接合成法，两者的原理相同，主要区别在于燃烧器及沉积体的布置方式不同。其中，VAD法中沉积体的布置方式为立式，燃烧器固定在底部对准沉积体的底部端面进行沉积；OVD法的沉积体为卧式，在疏松体沉积过程中燃烧器做往复运动。

VAD法制备SiO₂-TiO2玻璃

间接合成法首先将含硅和含钛的原料分别气化，在气体状态下将两种原料混合均匀，然后使混合原料发生水解反应生成低密度的二氧化硅疏松体，随后将疏松体在特定环境中进行二次烧结除去内部的水分及气体最终形成玻璃体。与CVD法相比，间接合成法沉积过程所需温度低，沉积效率高且掺杂量更为均匀，在烧结过程还可以根据需求对玻璃内部羟基缺陷进行控制，但受低温沉积工艺水平的影响，目前制备大规格合成石英玻璃较为困难。

OVD法制备SiO₂-TiO₂玻璃

溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是用含硅化合物和含钛化合物（如硅烷和钛酸酯溶液）在水性介质中发生水解反应，缩聚合成SiO2-TiO2溶胶，然后使溶胶老化形成SiO2-TiO2凝胶，干燥SiO2-TiO2凝胶形成多孔SiO2-TiO2主体，最后加热SiO2-TiO2主体形成SiO2-TiO2玻璃。

超低膨胀石英玻璃的应用

半导体领域

近年来，随着半导体集成电路的发展，制造半导体器件的光刻工艺也提升。随着市场对半导体器件精度需求的提髙，半导体光刻工艺向极紫外光刻法发展，极紫外光刻必须使用反射式多层堆叠系统作为光掩模，但多层堆叠的方式导致光掩模最大反射率较低，未被反射的辐射在被光掩模吸收后以热量的形式传导至光掩模基板导致光掩模整体温度提高。随着使用时间的增加热量不断累积，严重时可以导致光掩模的变形。而轻微变形就会导致被照射晶片上的成像误差，在芯片生产过程中造成严重的经济损失。选择热膨胀系数接近于零的超低膨胀玻璃能够有效地避免发生变形现象。

航空航天领域

在航空航天和天文学领域中，要求反射光学元件具备高度轻量化的特性，并且能够在温度波动时保持其面形精确度。鉴于卓越的热稳定性、良好的可焊接性能和极高的抗变形强度，SiO₂-TiO₂玻璃是制备反射镜的理想材料，可以应对多种极端使用环境，在国防工业、航空航天等领域具有不可替代的作用。

参考来源：

张寒等.超低膨胀合成石英玻璃关键制造工艺研究

王婷等.低膨胀石英玻璃的制备技术与发展趋势

刘志龙等.超低膨胀玻璃的发展及应用

（中国粉体网编辑整理/初末）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！