孙元成， 宋学富， 张晓强， 杜秀蓉

（1.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京100024；2.建材行业石英玻璃重点实验室，北京100024；3.无机非金属材料国防科技重点实验室，北京100024）

0 引言

石英玻璃是SiO2单组分玻璃，具有高度紧密且完整的结构网络［1-3］。其特有的结构使它具有其他材料无法取代的物理和化学性能［3-5］，因此被广泛应用于高科技领域，尤其在光学、电子技术等领域中占有重要地位。在惯性导航领域，石英玻璃是高精度挠性加速度计、半球谐振陀螺的核心材料。随着我国空间科技与国防科技的发展，惯性导航系统对石英玻璃的性能提出了越来越高的要求。然而，石英玻璃的传统应用领域集中于光学、光通信、半导体及电光源等领域，在惯性导航领域中的应用仅仅占据石英玻璃市场的极小部分，石英玻璃的相关标准、研究热点主要集中于光学性能方面。挠性加速度计、半球谐振陀螺将石英玻璃作为精密弹性器件，重点关注其阻尼、弹性模量一致性等力学相关性能。由于缺乏针对性的标准、性能指标，在为惯性导航器件选材时只能以传统标准为依据。这样造成的结果是，虽然所选石英玻璃是光学性能方面的高等级材料，但其在惯性导航仪表应用中的效果却参差不齐，这给惯性导航领域研究人员对石英玻璃的选材、研究造成了一定障碍。本文系统介绍了各类石英玻璃的制备工艺及特点，并针对石英玻璃在惯性导航系统中的具体应用，详细介绍了石英玻璃的相关性能指标，为石英玻璃的选材提供了参考。

1 石英玻璃

石英玻璃是玻璃态SiO2的统称，英文称作“Silica Glass”、 “Quartz Glass” 或 “Vitreous Silica”。其有时也被称作 “熔石英”或 “熔融石英”，是从英文 “Fused Silica”或 “Fused Quartz” 直观翻译而来，主要相对于石英晶体而言，强调石英的非晶态结构。

1.1 石英玻璃的结构

根据无规则网络模型，石英玻璃是由硅氧四面体组成的网络结构［1］。每个硅原子与四个氧原子相连，每个氧原子与两个硅原子相连，硅氧四面体以共角方式相连而组成三维无规则网络结构，如图1所示。与石英晶体中硅氧原子沿 “格子”周期性有序排列不同，石英玻璃中的硅氧原子呈长程无序排列，这决定了石英玻璃性能的各向同性。

图1 石英玻璃的网络结构Fig.1 Network structure of Silica glass

通过径向分布分析方法，可以得到石英玻璃的近程有序结构。与晶态SiO2不同，石英玻璃中的硅氧四面体呈无序分布。Si-O-Si键的键长为1.58 Å， 键角分布在120°～180°。 如图2所示， 键角在 144°左右较为集中［2］。

图2 Si-O-Si键的键角分布Fig.2 Bond angle distribution of Si-O-Si

当石英玻璃中存在杂质时，杂质可将Si-O-Si键打断，从而破坏玻璃的结构网络，导致石英玻璃的性能发生改变。例如，当石英玻璃含有羟基时（以Si-OH键形式存在），石英玻璃的黏度和机械强度降低，并在2730nm波长处出现吸收峰而降低了该波段的透过率［6］。

1.2 石英玻璃的分类

按照分类方式的不同，石英玻璃可分为多种类型。比如从应用的角度，石英玻璃可分为不透明石英玻璃、透明石英玻璃、光学石英玻璃、特种石英玻璃等；根据产品形状，石英玻璃可分为棒材、管材、板材、坩埚、纤维及其制品、灯工制成品及其他异形件等。根据国内外普遍使用的石英玻璃分类方式，可按制备工艺将石英玻璃分为以下几类［3-7］，如表1所示。

Ⅰ类石英玻璃：该类石英玻璃以天然水晶为原料，在真空、惰性或氢气气氛中用电热法熔制，行业中将该方法称为电熔工艺，如真空电熔制备块体、连续熔制石英棒或石英管，典型的牌号有德国Heraeus的Infrasil系列、美国GE的124等。由于原料纯度的限制，加上熔制工艺中容器、发热体等引入的杂质，其杂质含量较高，铝含量约可达1×10-4，碱金属含量可达1×10-5。但其羟基含量较低，在真空或惰性气氛熔制的石英玻璃中 可低于1×10-5。

表1 石英玻璃的分类Table 1 Classification of Silica glass

Ⅱ类石英玻璃：以燃烧火焰（如氢-氧火焰、甲烷-氧火焰）为热源，将粉状天然水晶原料持续喷洒在石英玻璃靶托上，利用火焰和熔炉的高温将粉料熔融，将得到的石英熔体逐步远离高温区并形成石英玻璃，行业中也将其称之为气炼工艺。该类石英玻璃的杂质含量主要取决于原料的纯度，含氢火焰也会引入羟基。其羟基含量一般在3×10-5～4×10-4之间，金属杂质主要为铝、碱金属等。

Ⅲ类石英玻璃：以SiCl4等含硅化合物为原料，以氢-氧火焰等燃烧火焰为热源，采用化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition， CVD）合成石英玻璃，行业中也将其称为合成石英玻璃、高纯石英玻璃。其金属杂质含量低于1×10-6，但含氢火焰会引入5×10-4～1.5×10-3的羟基。该类石英玻璃具有较低的气泡、金属杂质含量，是优异的光学材料。典型牌号有美国Corning的7980、德国Heraeus的Suprasil 1、中国建筑材料科学研究总院的JC-Z01等。

Ⅳ类石英玻璃：采用等离子化学气相沉积（Plasma Chemical Vapor Deposition， PCVD）工艺［8-11］熔制的石英玻璃，它以高纯SiCl4为原料，以无氢气的电感耦合高频等离子体为热源，因而具有极低的杂质含量。目前，可以实现金属杂质含量小于1×10-6、羟基含量小于2×10-6，也被称作超纯石英玻璃。由于其杂质含量低，在185nm～2500nm光谱范围内均具有较高的透过率。典型牌号有德国Heraeus的Suprasil W、中国建筑材料科学研究总院的JC-H04等。由于其极低的杂质含量避免了Si-O键被打断，该类石英玻璃的硅氧四面体网络更为完整，因而其具有优异的物理、化学性能及长期稳定性，在惯性导航、强激光等敏感应用领域中均有重要应用［12-13］。因此，西方国家严格限制该产品对我国的出口，公开的工艺、性能等相关信息也极为有限。

Ⅴ类石英玻璃：以SiCl4等含硅化合物为原料，以氢-氧火焰等燃烧火焰为热源，采用Soot工艺首先沉积出SiO2微粒聚集成的多孔疏松体，然后再经过排气、脱羟、玻璃化等工序制备出石英玻璃。该工艺在光纤预制棒的生产中被广泛使用，近年来，该工艺生产的石英玻璃块体材料被大量应用于光学领域。典型牌号有德国Heraeus的Suprasil 312和Suprasil 3001、美国Corning的8655等。该类石英玻璃的金属杂质含量很低，羟基含量可通过脱羟工艺实现控制，但脱羟过程通常会引入大量氯气，导致氯含量较高。另外，疏松体在玻璃化过程中产生的气泡也是一个难题。如Heraeus的Suprasil 3001型石英玻璃，虽然其金属杂质和羟基含量均小于1×10-6，但氯含量高达1×10-3以上。

其他类型石英玻璃：随着制备技术的发展及应用需求的推动，在原有制备工艺基础上不断出现新的石英玻璃制备工艺。如结合氢氧焰、电熔的二步法工艺推动了高质量石英玻璃的发展；通过掺入特定元素制备的掺杂石英玻璃，具有滤紫外、低膨胀等特殊性能；通过人为制造大量气泡制备的乳白石英玻璃，可实现轻质、隔热性能；使用溶胶-凝胶法制备石英玻璃薄膜；使用3D打印技术制备具有复杂结构的石英玻璃，其透光性能可接近普通光学石英玻璃。

采用不同工艺制备的石英玻璃，由于杂质含量、热历史的不同，其使用性能具有显著差异。因此，针对其具体应用，对石英玻璃的工艺、性能有更细化的分类要求。如在光学领域，国内现行的JC／T 185-2013《光学石英玻璃》标准将光学石英玻璃分为ZS、HS、KS三个牌号，分别对应紫外光学石英玻璃（185nm～380nm高透过）、红外光学石英玻璃（2600nm～2800nm高透过）、可见光学石英玻璃（可见光高透过）。目前，国内市场仍有人士沿用旧版本光学石英玻璃标准中的牌号，即：JGS1（远紫外光学石英玻璃，185nm～2500nm高透过）、JGS2（紫外光学石英玻璃，220nm～2500nm高透过）和JGS3（红外光学石英玻璃，260nm～3500nm），通常对应的产品分别为Ⅲ类、Ⅱ类、Ⅰ类石英玻璃。

1.3 石英玻璃的特点

石英玻璃具有高度紧密的结构网络，同时原子间具有很高的键强［14-18］，因而其具有非常低的热膨胀系数、电导率和较高的机械强度、耐热温度、抗热冲击性、抗腐蚀性和介电性能［12］。

石英玻璃具有优异的化学稳定性。一般情况下，石英玻璃与水不发生反应，具有抗水溶性。在高压和高温条件下，石英玻璃在水中只有微量溶解。在高浓度或高温情况下，石英玻璃不与酸反应，但氢氟酸和磷酸除外。在室温下，石英玻璃即可被氢氟酸溶液腐蚀。石英玻璃在很多种类的金属、非金属和盐的高温熔体中不发生反应。石英玻璃不易与H2、N2、O2、CO等气体发生反应，而且在C12、Br2、HC1和SO2气体中也能保持稳定。另外，石英玻璃具有优异的耐辐照性能，可以耐宇宙射线，不透原子核裂变产物。石英玻璃的化学稳定性取决于Si-O-Si网状连接结构的牢固性，而羟基缺陷断开了网络中的Si-O键，降低了石英玻璃的化学稳定性。

石英玻璃具有优异的热性能。石英玻璃的耐高温性能，远远超过任何一种玻璃。它的熔化温度在1713℃以上，软化温度为1580℃±10℃，退火温度为1140℃±20℃。石英玻璃能承受1000℃以上的高温，短时间可在1450℃高温下使用，不透明石英玻璃可在900℃高温下使用。石英玻璃的导热系数随温度升高而增大，石英玻璃的膨胀系数一般为5×10-7／℃，为普通平板玻璃的1／18。

石英玻璃主要的电学特性是高介电强度、很低的介电损耗和导电性，所以其被广泛用于制造高频高压绝缘子，特别是在高温和承受较高机械应力的环境中。

优良的光学性能是石英玻璃区别于普通玻璃的重要特征，石英玻璃对紫外光、可见光和近红外光的透过性能很大程度上取决于它的化学纯度。不同原料和不同工艺方法制造的石英玻璃的光学透过性能也不同，Ⅰ类石英玻璃由于金属离子含量较高，紫外透过率偏低；Ⅱ类、Ⅲ类石英玻璃是在氢氧焰中制备，羟基含量较高，在2730nm处出现很强的吸收峰；Ⅳ类石英玻璃由高纯SiCl4用无氢火焰制备，羟基和金属杂质含量都很低，故其透紫外和红外的性能更好。

2 惯性导航对石英玻璃的需求

2.1 挠性加速度计用石英玻璃

加速度计是惯导系统中的最重要的元件之一，用来测量沿其输入轴作用的常值和低频加速度，当前在航天、航空以及其他技术领域中都得到了广泛应用。石英挠性加速度计是融机电结构和伺服电子线路于一体的高精度加速度计，其特点是整体熔融石英摆片、双挠性摆支撑系统，负责检测质量的动电容器极板提供压膜气体阻尼和差动电容位置检测。其中，石英摆片是对加速度敏感的核心元件。如图3所示［13］，石英摆片由安装凸台、安装环、挠性梁、中心质量块四部分构成。摆片中心质量块通过两根薄而窄的挠性梁连接到完整的外圈上，挠性梁的厚度仅为几十微米，并且其在工作中处于振动状态。因此，摆片用石英玻璃基材的应力、内耗、稳定性等性能对加速度计的精度、稳定性、可靠性都有至关重要的影响。

图3 石英摆片简图Fig.3 Structure of Silica flexure

2.2 半球谐振陀螺用石英玻璃

半球谐振陀螺是基于哥氏振动原理的具有惯导级性能的高精度新型固体振动陀螺，其利用半球唇壳的径向振动驻波进动效应感测基座旋转，具有结构简单、高精度、长寿命、高可靠、抗辐射的特点，有良好的振动冲击性能、温度特性，具有独特关机运行和抗辐射能力。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心，一般为带有中心支承杆的半球形薄壳，如图4所示。其直径一般为15mm～60mm，壁厚一般为0.3mm～1mm，支承杆与半球壳一体加工而成。半球谐振子是一个半球弹性体，是敏感旋转的元件，是构成陀螺的主体部分。半球谐振子的振动频率选择谐振子固有频率，一般为2kHz～10kHz。为提高半球谐振陀螺的精度，谐振子的材料设计为石英玻璃，并要求所选石英玻璃具有各向同性、低内耗、高稳定等性能。

图4 石英半球谐振子Fig.4 Silica hemispheric resonator

2.3 其他惯导器件用石英玻璃

在惯性导航领域，石英玻璃材料也广泛应用于其他惯性测量器件。例如，在光纤陀螺中，使用石英光纤作为光波导材料；在激光陀螺中，石英玻璃材料可作为光腔和反射镜材料。

3 与惯性导航相关的石英玻璃的性质

在惯性导航系统的应用中，尤其是针对挠性加速度计、半球谐振陀螺用石英玻璃材料，主要考虑石英玻璃作为精密弹性器件的各种性质，但这方面缺乏系统性研究，本文介绍相关性能指标及国内外研究结果。

3.1 各向同性

材料的结构决定其性能，理想的石英玻璃结构具有长程无序结构，这种结构决定了其各类性能在三维任意方向上均无差异，在较低的测量精度下确实如此。但是如果对其性能的要求到了一定精度，如百万分之一（10-6）量级，长程结构一致性的微小起伏即可导致石英玻璃性能的差异，进而影响其使用性能。例如，倘若石英玻璃内部Si-O键键长在不同部位（毫米量级）的分布不一致，导致不同部位的极化率统计平均值存在差异，则表现为结构应力的存在与光弹性系数的差异，进而影响其在光学领域中的应用。石英玻璃的使用性能主要需考虑宏观性能的一致性，这取决于其宏观结构的均匀性，即短程结构差异在宏观尺度上统计结果的一致性。

目前，表征石英玻璃各向同性常用的高精度方法是光学均匀性测试。光学玻璃的光学均匀性是指同一块玻璃内部折射率的不均匀程度。当光学玻璃中存在元素或者化学键的不均匀分布时，其不同位置处的折射率不同，通常用光学玻璃各位置上最大折射率与最小折射率的差值Δn表示该光学玻璃的光学均匀性。光学均匀性是反映光学玻璃质量的重要参数，决定了光学玻璃的使用性能，也是表征光学玻璃结构均匀性的常用方法。石英玻璃在光学领域中的应用非常广泛，所以光学均匀性是石英玻璃的重要指标，也是评价石英玻璃结构各向同性重要的手段之一。

图5所示为某石英玻璃光学均匀性的测试结果，样品直径为137mm，厚度为40mm，使用Zygo公司生产的GPI／XP型激光干涉仪进行测试。该石英玻璃的整体光学均匀性为6.69×10-6，光学均匀性RMS值为4.78×10-6。测试结果可以精确、直观地反映该样品折射率的二维分布，即结构差异沿二维方向的差异。如果要测试三维不同方向上的结构一致性，需要选取相应的通光面并进行加工测试。

图5 光学均匀性测试Fig.5 Test of optical homogeneity

需要指出的是，光学均匀性并不能完全有效表征石英玻璃的各向同性。一方面，光学均匀性所测折射率为玻璃在通光方向上的叠加，反映的是通光方向结构差异的统计平均值，这掩盖了通光方向上不同部位的结构差异。另一方面，影响折射率变化的因素众多，如不同杂质、应力、缺陷等等，有的可使折射率增大而有的则使其降低，如果两相抵消则光学均匀性较好，但其他性能可能较差。通俗地说，光学均匀性差，结构一致性必然也差；光学均匀性好，结构一致性未必好，其他性能也未必好。因此，对于特定的使用性能，比如品质因数、弹性模量等，需要有针对性地讨论其各向同性及表征手段。

3.2 材料内耗

振动着的石英玻璃即使与外界完全隔绝，其机械振动也会逐渐衰减下来。这种使机械能量耗散变为热能的现象叫做材料的内耗，即固体在振动当中由于内部的原因而引起的能量消耗，也被称作材料的阻尼。尽管石英玻璃是内耗较低的材料之一，但当惯性导航系统对精度的要求高到一定程度时，石英玻璃的内耗就必须被加以考虑。分析石英玻璃内耗的产生机理、影响因素、消除手段，对惯性导航系统用石英玻璃进行选型及加工是非常必要的。由于将石英玻璃作为惯性导航系统用弹性材料进行研究的时间较短，与弹性相关的性能研究较少，同时石英玻璃内耗的精确测量实现困难，仅仅样品夹持引入的支撑损耗就能对测试结果造成较大影响，因此目前缺乏石英玻璃材料内耗的系统性研究。引起石英玻璃材料内耗的原因主要包括体相损耗、表面损耗和热弹性损耗。

（1）体相损耗

分析石英玻璃的体相损耗也需要从不同角度进行考虑，包括理想的石英玻璃结构、玻璃内部杂质及缺陷、玻璃本身具有的结构驰豫特性等。在理想的石英玻璃结构中，虽然所有硅氧原子都形成Si-O-Si键以形成网络结构，但部分氧原子在同一个Si-O-Si键内存在两个不同状态，如图6所示，氧原子在这两个状态具有接近的能级。在正常状态下，由于势垒的存在，氧原子不易从一个状态跳跃到另一个状态。但在玻璃发生振动时，由于机械能及材料变形的作用，容易发生氧原子的跳跃，进而造成能量的损耗。如果石英玻璃内部存在大量杂质、硅氧断键或微气泡等其他缺陷，在振动状态下，这些杂质或缺陷由于缺乏网络的束缚而容易引发移动，导致能量损耗。另外，玻璃是一种亚稳态物质，具有向稳态变化的趋势，这种趋势被称为结构驰豫。一般情况下，在材料的使用周期内，这种结构驰豫是可以忽略的。但是，如果石英玻璃内部存在应力，在高频率振动的作用下，将会加速结构驰豫，造成能量损耗。

（2）表面损耗

石英玻璃表面的杂质、缺陷、微裂纹等会产生能量耗散，进而产生表面损耗。针对石英玻璃的表面损耗机理，已有学者提出了多种假说，包括吸附水作用、表面化学键共振、微裂纹扩展以及吸附碱金属等，但目前还没有任何一种损耗模型能独立解释引发石英玻璃表面损耗的机制。现有研究表明，对石英玻璃进行表面处理可显著降低表面损耗，比如化学抛光、火焰抛光、表面刻蚀等，真空或氩气气氛退火处理也可降低表面损耗。对于直径小于几毫米的石英纤维而言，其表面损耗所占比重大于体相损耗。

（3）热弹性损耗

固体受热要膨胀，而热力学上的倒易关系是绝热膨胀时变冷。如在簧片状试样上加一弯曲应力，则突出部分发生伸长而变冷，凹进部分因受压而变热。热流从热的部分向冷的部分扩散，使冷的部分温度升高而产生膨胀，即引起附加的伸长应变。由于热扩散是一个驰豫过程，附加的非弹性应变必落后于应力，由此可产生驰豫型内耗。

3.3 应力

石英玻璃中的应力主要包括热应力和结构应力。热应力一般在制备或加工过程中产生。将石英玻璃加热到高于应变点以上的某一温度，此时它具有粘弹性，不能长时间承受各方向不均衡力的作用，玻璃内结构基团在力的作用下可以产生位移和变形，使温度梯度所产生的内应力得以消失，这个过程被称为应力松弛。这时，玻璃内外层存在着温度梯度，但不存在应力。在玻璃冷却过程中，如果降温速率较快，则在玻璃内部可产生温度梯度。当玻璃冷却到应变点以下，玻璃已成为弹性体，由温度梯度所产生的应力就不会消失。当玻璃冷却到室温，均衡后玻璃的表面层将产生压应力，而内层将产生张应力。所以，在玻璃的温度趋于同外界温度一致的过程中，玻璃中保留下来的热应力不能刚好抵消温度梯度消失所引起的反向应力。当玻璃的温度同外界温度一致后，玻璃中仍然存在着应力，这种应力即是永久热应力。玻璃从转变温度到退火温度区，在每一温度下，均有其相应的平衡结构。在冷却过程中，随着温度的降低，玻璃结构将发生连续、逐渐的变化。当玻璃中存在温度梯度时，各温度所对应的结构也是不相同的，即出现了结构梯度。当玻璃急冷到应变点以下时，这种结构梯度也被保留了下来。这种结构因素引起的各部分的膨胀系数不同。当内外层温度都到达常温时，由于其体积变化不同，就产生了热应力。

结构应力是由于玻璃因化学组成不均匀导致结构不均匀而产生的应力，不同的化学组成其热膨胀系数亦有差异。在温度由高温降低到常温后，由于不同膨胀系数的相邻部分收缩不同，使玻璃产生了应力。这种由于玻璃固有结构所造成的应力，显然是不能消除的。如果石英玻璃中存在结石、条纹和节瘤，就会在这些缺陷的内部及其周围的玻璃体中引起应力。在其界面上，应力值最大。

如果石英玻璃中存在较大应力，在振动时不但增加了材料内耗，同时也会对振动模式造成较大影响。另外，应力会加速石英玻璃的结构弛豫，使其内部结构发生变化，进而影响石英玻璃器件的长期稳定性。

3.4 机械性能

常温下，透明石英玻璃的密度为2.20g／cm3～2.21g／cm3，密度由于杂质含量的不同而略有区别，热处理也会对石英玻璃密度产生影响。从物理定义上来说，石英玻璃并非传统意义上理想的弹性材料。石英玻璃在室温下没有显著的塑形行为，在去除载荷后能迅速恢复形状而几乎不发生变形，并且其性能受温度的影响较小，因而石英玻璃是一种优异的弹性材料。石英玻璃的各向异性使其在超薄、精密弹性器件的加工、使用方面更具优势。与其他玻璃材料不同，石英玻璃的弹性模量随温度的升高而略有增加，如图7所示。

图7 石英玻璃弹性模量与温度的关系Fig.7 Relationship between elastic modulus of Silica glass and temperature

作为一种脆性材料，石英玻璃的强度受表面质量影响较大。表面缺陷、污染、析晶及表面结构不均匀都可大幅降低石英琉璃的强度，可以说石英玻璃的薄弱点决定了其强度，例如表面极小的微裂纹可在应力作用下迅速扩展，甚至导致玻璃断裂。因此，在加工、研究惯性导航系统用石英玻璃精密器件时，需要注意表面质量对玻璃强度的影响。

3.5 热学性能

石英玻璃有极高的热稳定性，能经受急剧的温度变化而不产生破裂，经过高低温循环后亦能保持较高的稳定性。石英玻璃的热膨胀系数很低，经过掺杂的石英玻璃可实现零膨胀甚至负膨胀。典型石英玻璃的线膨胀系数随温度的变化值如图8所示。

图8 石英玻璃线膨胀系数与温度的关系Fig.8 Relationship between linear expansion coefficient of Silica glass and temperature

当惯性器件对精度的要求达到一定程度时，石英玻璃热学性能的细微变化也需要被考虑。玻璃的热稳定性与多方面因素有关，它取决于玻璃的成分和热历史。此外，石英玻璃本身所处的状态同样影响其热稳定性，如存在内应力、制品表面有微裂纹、形状尺寸、加热冷却条件等因素。

3.6 结构缺陷

石英玻璃中的结构缺陷严重影响其使用性能，尤其对惯性导航用精密器件而言，结构缺陷的存在不但影响品质因数、弹性模量等性能，甚至可导致器件断裂等突发失效的状况。石英玻璃的结构缺陷主要包括以下几类：

（1）气泡

气泡是石英玻璃中的气态不均匀体，形状以圆球和椭圆形为主，大小为几微米至几毫米甚至更大尺寸。显微镜多量观察结果表明，Ⅰ类、Ⅱ类玻璃中气泡含量较多，而Ⅲ类、Ⅳ类玻璃中气泡相对较少。对于Ⅰ类、Ⅱ类石英玻璃，其水晶原料颗粒间充满气体，在高温熔制过程中，水晶粉烧结、液化并逐步排出颗粒间隙中的气体。但烧结温度控制不当或温度场不均匀时，高温区粉料会熔化成为高黏度的SiO2熔体，而低温区粉料仍处于烧结排气阶段。当高温区SiO2熔体包封低温区粉料的气体出口、颗粒间隙中的气体不能排出时，将产生气泡。对于Ⅴ类石英玻璃而言，第一步沉积出SiO2微粒聚集成的多孔疏松体，内部含有大量气体，因此在玻璃化过程中更容易产生气泡。在光纤高温拉制时，可将这种气泡慢慢排出，但若要制备大尺寸的石英玻璃块体，要完全消除气泡十分困难。在Ⅰ类石英玻璃管中，还存在线状气泡（即气线），这主要由拉管工艺造成，在其他几类玻璃中较为少见。

（2）条纹

石英玻璃中的条纹缺陷是玻璃态不均匀体，其化学组成与基体玻璃相同，但其折射率、密度、黏度等性能与基体玻璃存在差异。石英玻璃中的条纹主要因熔制不均匀引起，通常Ⅰ类、Ⅱ类玻璃中的条纹缺陷多于采用CVD工艺制备的Ⅲ类、Ⅳ类合成玻璃。对于合成石英玻璃而言，由于燃烧器火焰宽度的限制，玻璃的不同部位存在较大温差，若温度场不稳定，高温熔体在低温沉积面上摊流也可能导致条纹产生。此外，高重熔、拉管、拉棒过程极易形成条纹缺陷。

（3）杂质

石英玻璃内部的杂质缺陷主要从原料和熔制气氛中引入。Ⅰ类石英玻璃以天然水晶为原料，并在金属杂质含量较高的石墨坩埚中熔制，致使其金属杂质含量最高；Ⅱ类玻璃主要由水晶原料纯度决定其金属杂质含量。合成石英玻璃的痕量金属杂质则主要来源于SiCl4等合成原料和各种工作气体、载料气体，以及熔制过程中内外界环境带入的金属杂质。通过进一步提纯、净化原料和其他工作气体，可提高合成石英玻璃的纯度。

（4）硅氧网络缺陷

在石英玻璃熔制、热处理过程中，可能产生硅氧网络被打断的情况，形成氧空位、非桥氧、过氧缺陷等。通常在高温非氧化气氛下，SiO2熔体的热分解易形成氧空位缺陷。Ⅰ类玻璃在高温还原气氛中熔化后再拉制成管，熔体冷却速度快，在室温下保留了熔体高温结构特征，因而具有较多的氧空位。而Ⅱ类、Ⅲ类玻璃都是在含氢火焰中熔制，高温SiO2熔体中的氧空位会被大量羟基占据，且逐层熔化、熔体冷却速度慢，很难形成氧空位，但羟基的存在使得Si与网络连接的四个键被打断一个，同样影响了硅氧网络的完整性。

4 石英玻璃的加工

为了得到惯性导航系统用的石英玻璃元件，需要经过多个加工工序，将石英玻璃块体原材料按要求加工成具有复杂结构的精密器件。如石英摆片的加工，一般需要机械冷加工、热加工、化学加工等三类加工工艺，如图9所示［13］。

图9 石英摆片加工流程图Fig.9 Manufacturing flow chart of Silica flexure

4.1 机械冷加工

石英玻璃的莫氏硬度为6.5，属于脆性难加工材料。脆硬材料的主要冷加工方法是磨削加工，而不是切削加工。在脆硬材料上钻孔实际上是使用与切削钻具完全不同的另一种空心薄壁钻具，实质上仍然是利用钻具前沿镶嵌的磨粒对材料进行磨削，而切割过程也是一样。当磨粒与材料滑动接触时，磨粒向材料表面施加垂直的和切向的力，对材料产生磨擦和挤压，当应力超过材料的断裂极限时，材料开始产生裂缝。裂缝沿着与主应力垂直的方向延伸，同时主应力降到临界值以下，最终裂缝扩展停止，材料发生剥离。当磨粒前移时，又出现一个新应力场，裂缝又开始出现并扩展，于是磨削过程得以继续。

按照加工步骤分类，冷加工大体可分为外观成型和表面抛光处理。

外观成型是指根据图纸要求，通过切割、铣磨、研磨等机械加工方式使石英玻璃坯料形成具备特定外观尺寸和形状的石英玻璃器件。在成型加工过程中，石英玻璃的材料去除机制是脆性断裂，即通过磨料的冲击、碾压、切削等物理作用使石英玻璃的表面材料发生脆性断裂，实现多余材料与母体的分离。成型加工的具体手段有外圆切割、内圆切割、水刀切割、线切割、固结金刚石刀具铣磨、散料研磨、超声落料等，其共同特点是材料去除速率快，但加工后的石英玻璃表面以下存在由裂纹和应力形成的亚表面损伤，其深度为几微米至几百微米。

表面抛光处理的目的是使石英玻璃器件表面达到图纸要求的面型和粗糙度，同时去除亚表面损伤层，典型的抛光方式是使用含有磨料的抛光浆料在抛光模的带动下对石英玻璃表面进行磨削。关于抛光过程中的材料去除机理，目前尚未有确切的理论说法，相关理论包括Herselel和Rayleigh等提出的机械磨削理论、Smekal等提出的热表面流动理论、Kaller等提出的化学作用理论。可以确定的是，抛光过程是一个机械、物理和化学作用的综合结果［19］，机械作用是基本的，化学作用是重要的，而流变现象是存在的。随着抛光材料的发展和技术的进步，抛光手段越来越多样化，既有传统的 “古典”抛光，又有化学机械抛光，还有先进的磁流变抛光等。目前，实现纳米级以下的表面粗糙度已不是难题，但 “更精准的表面面型、更小的表面粗糙度、更完好的亚表面状态”仍然是表面抛光处理追求的目标。

惯性导航系统用石英玻璃的机械冷加工主要存在亚表面质量与尺寸精度两大问题。其中，尺寸精度需要依靠设备结合工艺来实现，如半球谐振子的圆度、同轴度等指标对加工、检测设备提出了极高要求。而亚表面质量则是影响惯性仪表精度的一大难题，石英玻璃的亚表面微裂纹及裂纹内部含有的微小杂质颗粒不但会造成能量损耗，而且在后续化学加工中易导致刻蚀速率不一致而形成缺陷或尺寸不一致。针对惯性导航与高能激光领域需求，本文研究团队深入、系统研究了石英玻璃亚表面缺陷的形成机理及化学机械法去除技术，取得了良好效果。

4.2 热加工

石英玻璃的热加工是指在高温状况下进行的石英玻璃制品的加工，其目的是获得所需形状或者降低残余应力。

石英玻璃热加工成型的方式主要有灯工吹制、熔断、密封、熔接、激光加工、热顶成型、高温扩管、火焰抛光等，各类常规石英玻璃仪器、器皿、电光源、大规格石英玻璃扩散管及其连接，以及各式石英舟的加工等异型及非常规石英玻璃制品的加工等均要采用热加工技术。美国Michigan大学采用高温喷灯吹制工艺［20］，将石英玻璃材料加工出微壳体谐振结构，用于制作半球谐振陀螺。激光加工技术常用于切割出复杂形状的石英玻璃，如在石英摆片的加工中，使用CO2激光器发出的10.6μm激光，利用石英玻璃对该波段的吸收，将玻璃局部迅速加热气化，在石英玻璃薄片上刻出复杂的镂空图形。该类激光同样可以作为热源用于石英玻璃器件的焊接、表面刻蚀等。另一种激光加工方式是利用超短脉冲激光的瞬间高能量将Si-O键打断，实现石英玻璃的逐层去除，该方式因没有热熔作用而不产生应力，但激光器造价十分昂贵。

对于石英玻璃在机械冷加工、热加工过程中产生的热应力，需要通过热处理 （即退火工艺）进行去除。即将样品加热到退火上限温度后进行保温，使制品各部分的温度均匀以消除玻璃中的热应力，再经过缓慢降温使样品在冷却过程中不再产生永久应力或仅产生微小的永久应力，退火上限温度、冷却速率需要根据石英玻璃的类型、形状确定。需要指出的是，退火工艺仅能去除热应力，而难以消除结构缺陷，如在石英玻璃吹制、拉制过程中产生的断键、硅氧网络变形等无法通过退火工艺来完全恢复。

4.3 化学加工

为了对石英玻璃器件的特定部位进行减薄，或者去除表面损伤层，通常需要使用化学刻蚀方法进行加工。除氢氟酸和热磷酸外，石英玻璃耐各种酸、王水、中性盐等化学物质的侵蚀。因此，一般使用氢氟酸对石英玻璃进行刻蚀，并加入乙酸等缓冲剂。在石英摆片挠性梁的加工中，使用特制模具，用氟橡胶将不需要酸刻蚀的部位掩盖，并放入刻蚀溶液中，将1mm左右的挠性梁部位减薄至几十微米。对石英半球谐振子进行酸刻蚀，可以减少表面损伤层带来的表面损耗，提高品质因数。

需要注意的是，石英玻璃的杂质、应力、缺陷会影响刻蚀速率，进而影响刻蚀深度的一致性。此外，化学刻蚀会使石英玻璃表面粗糙度增大，表面的细微缺陷、杂质聚集部位会通过刻蚀而显著放大，进而影响玻璃的后续加工及使用性能。

5 结论

通过综合了解石英玻璃的分类、特点、与惯性导航系统相关的石英玻璃的性质及加工方式，可对惯性导航系统用石英玻璃有比较全面的了解，在实际应用中对石英玻璃材料的选取也更有针对性。若要提高惯性导航系统的性能，可针对石英玻璃的相关指标提出更高要求。反之，若要降低成本、放宽某些性能要求，可根据侧重点选取石英玻璃材料。

随着我国航天、航空、航海等领域的技术进步，当前惯性导航技术发展迅猛，高精度惯性导航系统对石英玻璃的性能提出了越来越高的要求。国内石英玻璃行业在针对惯性导航应用的材料的研制、性能表征、标准制定等方面相对落后，导致高性能石英玻璃材料成为惯性导航技术发展的瓶颈之一。为了推动惯性导航技术的发展，需要增加相关研究投入，石英玻璃研究者也需不懈努力。