石英絲彈性元件的研究與制作1

張志中 朱 虎 張征宇

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

石英絲彈性元件的研究與制作1

張志中 朱 虎 張征宇

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

本文介紹了燒焊熔凝石英的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，拉制及焊接石英絲、石英彈簧等元件的技術(shù)。同時(shí)，還簡(jiǎn)要介紹了熔凝石英的物理、化學(xué)特性和應(yīng)用情況。

熔凝石英 石英彈簧 石英絲 焊接

引言

1889年，Boys發(fā)現(xiàn)熔凝石英可以抽成非常堅(jiān)韌的微絲，這種絲具有優(yōu)良的化學(xué)物理特性（斯特朗，1954）。隨后，他用石英絲代替金屬絲，改進(jìn)了Michell-Cavendish 的扭稱，測(cè)出地球的平均密度為5.527g/cm3。1895年，他發(fā)表了這一重要結(jié)果（Bullen，1975），石英絲也由此身價(jià)倍增。

高純度、全透明的熔凝石英也稱石英玻璃，采用天然水晶或人工合成的四氯化硅等為原料，經(jīng)高溫氣煉或高溫水解等工藝制成，但因含有氫氧基而影響它的光學(xué)性能。上世紀(jì) 70年代，發(fā)明了高頻等離子制造石英玻璃技術(shù)，生產(chǎn)出了不含氫氧基的石英玻璃。而今，石英玻璃在半導(dǎo)體工業(yè)、原子能技術(shù)、光學(xué)及其他精密儀器、光導(dǎo)纖維、電光源制品及化學(xué)分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面，得到廣泛的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

石英工作室要求清潔、照明充足、通風(fēng)良好。燒焊石英絲元件時(shí)，若沾有塵埃、汗?jié)n或指紋，燒焊后會(huì)影響它的性能。工作室最好用油漆墻面、水磨石地板，以便于用水沖洗。石英玻璃的工作溫度為1756—1800℃，超過(guò)2000℃便蒸發(fā)成氣體，對(duì)人體有害。燒焊石英玻璃用氫氧焰，燒焊工具可用專業(yè)2號(hào)或3號(hào)焊槍，它的氣閥可以調(diào)節(jié)，可以控制微量氣體，并配有5—7個(gè)不同口徑的噴嘴。燒焊細(xì)小的石英絲元件要用小吹管，要備有0.1—0.5mm不同口徑的2、3支吹管，通常要自己制作。吹管通過(guò)橡皮管接在焊槍的噴嘴上，藉焊槍的氣閥調(diào)節(jié)吹管火焰的強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)桌最好用大理石或水磨石臺(tái)面，這樣不會(huì)因工作不慎而燒傷臺(tái)面。若用木質(zhì)臺(tái)面，在近火焰或放置灼熱的石英器件處，要襯墊瓷板或大理石板。放置石英絲元件的容器，其底面以深色或黑色為宜，以便于鑒別。燒焊石英玻璃發(fā)出的光非常刺眼，含有大量紫外光，故要戴深色眼鏡，眼鏡最好用灰色鏡片，其透光度以10%—20%為宜。但普通玻璃也能阻斷紫外光，所以廉價(jià)的太陽(yáng)眼鏡也可敷用。

實(shí)驗(yàn)室要備有40—200倍的工具顯微鏡、螺旋千分卡、游標(biāo)卡尺、鋼板尺，同時(shí)還要有攝子、鉗子、玻璃鐘罩、實(shí)驗(yàn)支架等。實(shí)驗(yàn)支架應(yīng)輕便靈活，可以上下升降，前后左右微動(dòng)，隨意調(diào)到所需的位置。用實(shí)驗(yàn)支架夾固零件并調(diào)整好位置，可以保證燒焊的準(zhǔn)確性。

2 石英桿和石英絲的拉制

圖1 石英桿的拉制Fig.1 Control of quartz bar

拉制石英細(xì)桿要用大口徑噴嘴的焊槍，根據(jù)石英棒料的直徑和拉成細(xì)桿的粗細(xì)調(diào)好火焰。石英玻璃的熱膨脹系數(shù)很小，石英棒不需預(yù)熱就可以直接放在火焰中加熱，不必?fù)?dān)心會(huì)迸裂。操作時(shí)兩手平握石英棒，在火焰中不斷旋轉(zhuǎn)加熱，使其熔接在一起，稍稍拉細(xì)，向左或向右移動(dòng)數(shù)毫米至十多毫米，再把它燒熔拉細(xì)，使石英棒的中間形成一個(gè)眼球體，把眼球體燒熔，在離開(kāi)火焰時(shí)雙手拉開(kāi)，就可得到粗細(xì)均勻的石英桿（圖1），石英桿的直徑及長(zhǎng)度由眼球體的大小及拉桿的速度決定，熟練的操作人員可以正確地拉出所需尺寸的石英桿。拉制直徑 0.1—1.5mm 的石英桿并不難，直徑 2mm以上的石英棒商店有售，不需自己制作，拉桿時(shí)若石英棒沒(méi)有熔透或夾有燒結(jié)雜物，則拉出的桿是不均勻的。

熔凝石英的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)很接近，操作時(shí)要眼明手快，蒸發(fā)的石英粉塵不僅對(duì)人體有害，還會(huì)在石英棒的表面形成白色燒結(jié)層，再次拉桿或焊接要用火焰把它燒凈，否則會(huì)影響拉出桿子的均勻性及焊接牢度。

拉制石英絲要用純度為 99.997%以上無(wú)氣泡、無(wú)氣線的優(yōu)質(zhì)石英棒料。手工拉制石英絲與拉制石英桿的方法很類似，不過(guò)，它不需要先燒成眼球體。先把粗棒中間拉成長(zhǎng)十幾、二十毫米、直徑0.1—0.2 mm的細(xì)桿，調(diào)小火焰，把細(xì)桿的某一小段燒熔，在離開(kāi)火焰的同時(shí)雙手迅速拉開(kāi)，便能拉出直徑十幾至數(shù)十微米的長(zhǎng)石英絲。燒熔的石英量多少、拉絲速度的快慢，決定拉出絲的粗細(xì)。直接拉出10μm以下的絲徑比較困難，簡(jiǎn)單的方法是把粗絲放在濃度為40%的氫氟酸中腐蝕，可以得到幾微米的細(xì)絲。經(jīng)氫氟酸浸泡的石英絲要用氫氧化鉀溶液及蒸餾水反復(fù)清洗才能使用。這種細(xì)絲外表明亮光滑，它的抗斷強(qiáng)度和抗擾強(qiáng)度都有一定的提高（Reinkober，1937）。

手工拉制石英絲成品率較低，并與工作人員的技術(shù)熟練程度有關(guān)。為了改變這種林況，作者研制了1臺(tái)拉絲機(jī)（圖2）。拉絲機(jī)由供料機(jī)構(gòu)與拉絲機(jī)構(gòu)兩部分組成，供料機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)蝸輪、蝸桿減速，均勻地把石英棒料送往火焰熔化；拉絲機(jī)構(gòu)由變速電機(jī)帶動(dòng)一只旋轉(zhuǎn)的圓盤，它一面拉絲，一面把拉出的石英絲燒在圓盤上。調(diào)節(jié)進(jìn)料速度及圓盤的轉(zhuǎn)速，可以拉出不同直徑的石英絲。供料棒與拉絲圓盤之間要相距 lm以上，以保證拉出的絲足夠冷卻后再繞在圓盤上，這樣拉出的絲是筆直的。這臺(tái)拉絲機(jī)可以拉制絲徑15—100μm，長(zhǎng)100多米的石英絲，任意截取1m長(zhǎng)的絲，其兩端的直徑不會(huì)差2μm。

圖2 石英絲拉制機(jī)Fig.2 Drawing of machine for quartz fiber making

3 石英彈簧的繞制

為研制石英彈簧重力儀，作者曾研制了1臺(tái)石英彈簧繞制機(jī)。繞簧機(jī)由1臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)3套變速齒輪，分別驅(qū)動(dòng)供料軸、繞簧旋轉(zhuǎn)軸桿以及繞簧軸前移螺桿（圖3）。供料軸由蝸輪蝸桿減速并改變軸向，不斷地供給石英原料。供料石英棒的垂直方向?yàn)槔@簧軸，其間為焊槍的噴嘴口，把送來(lái)的石英棒端頭燒熔，進(jìn)料速度通過(guò)變速齒輪調(diào)節(jié)。繞簧軸由裝有鍵槽滑動(dòng)配合的軸桿和軸套構(gòu)成，軸套通過(guò)連桿、半開(kāi)螺母與前移螺桿連接。軸套既能轉(zhuǎn)動(dòng)又能隨前移螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)在軸桿上滑動(dòng)前進(jìn)，繞簧軸固定在軸套的端頭，可以拆卸及更換不同直徑的繞簧軸，它的轉(zhuǎn)速及移動(dòng)速度（即彈簧的節(jié)距）分別由另外2套變速齒輪調(diào)節(jié)。在繞簧機(jī)上能否繞制出均勻的石英彈簧，取決于供料石英棒的均勻程度、火焰的強(qiáng)度和位置是否合適、繞簧軸的轉(zhuǎn)速和進(jìn)料速度的配合。此外，機(jī)床要平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速要均勻。該臺(tái)繞簧機(jī)可繞出圈徑 5—20 mm、絲徑20—300μm、節(jié)距0.1—4mm、圈數(shù)達(dá)1000圈以內(nèi)的石英彈簧。

圖3 石英彈簧繞制機(jī)Fig.3 Drawing of machine for helical quartz spring making

4 石英絲元件的焊接

焊接細(xì)小的石英絲零件是焊接的基本技術(shù)，像石英彈簧重力儀這樣的靈敏度極高的系統(tǒng)就是由石英框架、石英擺、擺扭絲、石英彈簧等10多個(gè)石英絲元件燒焊成一體而制成的。限于篇幅，本文僅介紹幾種有代表性的燒焊方法。

“T”字形接頭：燒制“T”字形接頭，先要在石英桿的兩頭燒焊上保護(hù)支架，以防止焊接時(shí)石英桿變形。保護(hù)支架與石英桿連成封閉的三角形或四邊形。然后在石英桿上燒個(gè)石英珠，再把石英珠與石英桿燒成一體，桿上便形成一凸出的鼓包，把另一根石英桿燒焊在鼓包上，除去保護(hù)支架，便成為完美的“T”字形接頭（圖4）。

圖4 T字形接頭的焊接Fig.4 Welding of “T-shaped” joints

石英絲的接頭：石英絲又細(xì)又光滑，不容易直接固定在其他物體上。把石英絲的兩頭燒上石英接頭，便可以燒焊在石英支架上，或用火漆、蟲膠粘結(jié)在其他物體上。用小吹管燒焊石英絲的接頭比較容易，把石英絲和石英桿靠在一起，用小吹管燒熔石英桿，石英熔化后的表面張力把石英絲收縮進(jìn)去，離開(kāi)火焰，同時(shí)輕輕拉直石英絲，再把離接頭2mm、3mm 處的石英桿燒下來(lái)，便燒成一個(gè)石英絲的接頭。按同樣的方法燒出石英絲的另一個(gè)接頭。

石英彈簧的接頭：選出與石英彈簧絲徑相同的石英絲，把它燒在實(shí)驗(yàn)支架的石英桿上，在絲的頭上彎一個(gè)直角，彎出的長(zhǎng)度與彈簧圈的半徑相同，將石英彈簧放在另一只實(shí)驗(yàn)支架的石英桿上，石英絲的彎頭與彈簧起始頭靠在一起，用小吹管把這處燒焊在一起便成，用同樣的方法燒彈簧另一端的接頭，這樣整根彈簧的接頭都已接好。

5 結(jié)語(yǔ)

石英絲及石英彈簧有很高的彈性限度，永久性形變小，能耐高溫且熱膨脹系數(shù)小，熔凝石英粘度系數(shù)很小，石英絲和石英彈簧耐耗小，工作時(shí)不會(huì)因內(nèi)部分子摩擦而實(shí)際損失能量，固有很好的回零性，這是任何一種金屬都不具備的，它在地球物理觀測(cè)儀器中應(yīng)用很廣。所以有很多儀器，像我們熟悉的磁變儀、石英彈簧重力儀、水氡儀、水平擺傾斜儀等都用石英絲彈性元件制成。如美國(guó)Worden重力儀、國(guó)產(chǎn)GSM石英臺(tái)網(wǎng)重力儀，觀測(cè)精度可達(dá)0.1×10－8牛頓（毫加），整個(gè)重力儀的靈敏度系統(tǒng)（稱為心臟部分）包括框架臺(tái)網(wǎng)、臺(tái)網(wǎng)、扭絲全部都用熔凝石英絲，而儀器總重只有3.5kg。另外還有靈敏度為0.001"的 SQ-71石英水平擺傾斜儀；靈敏度高達(dá)0.005"的SSQ-1數(shù)字石英擺傾斜儀及支架吊絲；水氡儀器的石英支架和石英扭絲等。石英絲彈性元件能在許多精密儀器中得到應(yīng)用，這不僅與石英玻璃優(yōu)良的化學(xué)、物理特性相關(guān)，而且也與拉制石英絲的設(shè)備簡(jiǎn)單易置、彈性零件容易制作等原因有關(guān)。用石英材料制成的地傾斜儀有靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，它可以連續(xù)記錄地面的傾斜變化。例如：觀測(cè)固體潮并用它研究地球內(nèi)部的彈性模量；監(jiān)視地面的傾斜變化以預(yù)測(cè)地震、火山爆發(fā)或礦區(qū)由于地下水、天然氣及其它有用礦產(chǎn)資源的開(kāi)采而引起的地面沉降、塌方；觀測(cè)大地震造成的地動(dòng)位移并用以研究震源機(jī)制；此外還可以用于檢查某些要求特殊的基準(zhǔn)平臺(tái)的微小傾斜變化等。

總體而言，石英絲及石英彈簧具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）熔凝石英的熱膨脹系數(shù)很小，近室溫時(shí)為0.42×10-6℃（Kaye, 1910），有較低的粘滯系數(shù)（1×106泊），軟化溫度為 1600—1650℃。用石英玻璃制成的儀器熱形變非常小，石英彈簧稱可以在900℃以下的高溫條件下工作。

（2）石英絲有很高的抗斷強(qiáng)度，除鎢絲外沒(méi)有一種其他金屬絲的強(qiáng)度可以與之相比。直徑40μm的石英絲，其抗斷強(qiáng)度為5.4×10-4N/cm2，絲越細(xì)，其抗斷強(qiáng)度越高。

（3）石英玻璃的內(nèi)摩擦系數(shù)很小，不到金屬材料的1/1000。因內(nèi)耗很小，用石英絲懸掛的扭擺.振幅衰減非常小。此外，石英絲的回零性能也非常好。

（4）石英玻璃的比重為 2.20，莫氏硬度為 6—7度。在常溫下，除氫氟酸外，石英玻璃不受其他酸類的腐蝕，用石英玻璃做的儀器架重量輕，硬度高。石英吊絲因不會(huì)氧化而壽命很長(zhǎng)。

（5）燒焊石英絲的工作設(shè)備簡(jiǎn)單，容易配置，但工作室的衛(wèi)生條件非常重要。石英玻璃性能脆、易碎，比較嬌嫩，所以在操作或搬運(yùn)石英玻璃及其制品時(shí)，必須小心謹(jǐn)慎。

利用石英絲彈性元件，作者先后制成了高精度石英彈簧重力儀、磁變儀的石英吊絲、航天部門實(shí)驗(yàn)用的石英彈簧，監(jiān)測(cè)地殼形變的石英水平擺傾斜儀等。

其缺點(diǎn)是比較脆弱、吸濕性強(qiáng)、彈性溫度系數(shù)較大，在空氣中振動(dòng)會(huì)帶電等，但有些缺點(diǎn)如采取一定的措施是可以克服的。

斯特朗 J.，1954.物理實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用技術(shù). 北京：商務(wù)印書館出版，152—174.

Bullen K.E., 1975.The Earth′s Density. London Chapman and Hall, 17—19.

Kaye G.W.C., 1910. The Expansion and Thermal Hysteresis of Fused Silica. Phil. Mag.& J.Sci., 6th series, 20:718—728.

Reinkober O., 1937. Die Festigkeit und Elatizitat Von dunnen Quarzfaden. Physik. Zeitschr., 38(4): 112—122.

The Making of Quartz Fibers and Helical Quartz Springs

Zhang Zhizhong, Zhu Hu and Zhang Zhengyu
(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China)

The paper introduces the equipment and method for making quartz fibers and helical quartz springs, as well as the technique for welding quartz fibers and springs. Their physical and chemical properties and the related application situations are also discussed in the paper.

Fused quartz; Quartz spring; Quartz fiber; Welding

張志中，朱虎，張征宇，2010. 石英絲彈性元件的研究與制作. 震災(zāi)防御技術(shù)，5（4）：500—505.

地震行業(yè)專項(xiàng)（200708003）《核電廠地震安全問(wèn)題研究》資助

2010-05-20

張志中，男，生于1954年。高級(jí)工程師。早期從事地震儀器研制工作?，F(xiàn)主要從事歷史地震和工程地震工作。E-mail: zhizhong1954@126.com