Jakie są główne składniki chemiczne prętów ze szkła kwarcowego?

Główny składnik chemiczny pręty ze szkła kwarcowego jest dwutlenek krzemu (SiO₂), którego czystość zwykle przekracza 99,9%, a szkło kwarcowe o wysokiej czystości może sięgać nawet 99,9999% (gatunek 6N).

1. Struktura molekularna dwutlenku krzemu (SiO₂)
Podstawowym powodem, dla którego pręty ze szkła kwarcowego mają doskonałe właściwości fizyczne i chemiczne, jest szczególna struktura molekularna dwutlenku krzemu. W odróżnieniu od zwykłego szkła, mikrostruktura szkła kwarcowego charakteryzuje się bardzo stabilną sieciową cechą, która bezpośrednio determinuje właściwości termiczne, optyczne i mechaniczne materiału.

Na poziomie atomowym podstawową jednostką strukturalną dwutlenku krzemu jest czworościan krzemowo-tlenowy. W tej strukturze atom krzemu znajduje się w środku, a cztery atomy tlenu są równomiernie rozmieszczone na wierzchołkach czworościanu. Każdy atom tlenu tworzy silne wiązanie kowalencyjne z centralnym atomem krzemu. Ta metoda łączenia charakteryzuje się wyjątkowo wysoką energią wiązania, dzięki czemu cała konstrukcja jest wyjątkowo stabilna.

Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że każdy atom tlenu zwykle tworzy mostek z dwoma atomami krzemu, łącząc w ten sposób sąsiednie czworościany krzem-tlen, tworząc ciągłą trójwymiarową strukturę sieciową. Ten unikalny tryb połączenia zapewnia szkło kwarcowe o doskonałej wytrzymałości mechanicznej i stabilności chemicznej.

Najbardziej zauważalną cechą strukturalną szkła kwarcowego jest jego amorficzny charakter. Choć układ czworościanów krzemowo-tlenowych w zasięgu lokalnym pozostaje uporządkowany, to w skali makroskopowej układ przestrzenny tych czworościanów jest całkowicie nieuporządkowany. Ta cecha strukturalna sprawia, że ​​szkło kwarcowe jest izotropowe pod względem właściwości fizycznych, to znaczy jego właściwości nie zmieniają się wraz z kierunkiem pomiaru.

W porównaniu z kwarcem krystalicznym, amorficzna struktura powoduje, że szkło kwarcowe nie ma wyraźnej temperatury topnienia, ale podczas ogrzewania stopniowo mięknie, co ma ogromne znaczenie w zastosowaniach praktycznych.

Porównanie szkła kwarcowego z kwarcem krystalicznym pozwala lepiej zrozumieć jego właściwości strukturalne. Czworościany krzemowo-tlenowe w krystalicznym kwarcu są ułożone zgodnie ze ścisłymi zasadami sześciokątnego układu kryształów, tworząc uporządkowaną strukturę krystaliczną dalekiego zasięgu. To uporządkowane ułożenie sprawia, że ​​kwarc krystaliczny wykazuje anizotropię, taką jak słynne zjawisko dwójłomności. Jednak szkłu kwarcowemu brakuje tego uporządkowania dalekiego zasięgu i nie wytwarza dwójłomności, co daje mu wyjątkową przewagę w zastosowaniach optycznych.

Specjalna struktura krzemionki bezpośrednio determinuje kluczowe właściwości szkła kwarcowego. Po pierwsze, ciągła trójwymiarowa struktura sieci sprawia, że ​​materiał jest wyjątkowo przezroczysty i może zachować doskonałą przepuszczalność od pasm ultrafioletowych do podczerwonych. Po drugie, sieć złożona z silnych wiązań kowalencyjnych może skutecznie przeciwstawić się zmianom wymiarowym spowodowanym zmianami temperatury, nadając materiałowi wyjątkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Co więcej, stabilne wiązania krzem-tlen sprawiają, że szkło kwarcowe jest obojętne na większość chemikaliów i ulega korozji jedynie pod wpływem kwasu fluorowodorowego i silnych zasad.

W zastosowaniach praktycznych nawet śladowe ilości pierwiastków zanieczyszczających mogą mieć znaczący wpływ na strukturę sieciową krzemionki. Na przykład, gdy jony glinu zastąpią jony krzemu i dostaną się do sieci, powstaną defekty strukturalne, co spowoduje zmniejszenie przepuszczalności ultrafioletu materiału. Podobnie wprowadzenie jonów metali alkalicznych przerwie sieć wiązań krzem-tlen i znacznie zmniejszy odporność materiału na wysoką temperaturę. Dlatego w zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności czystość surowców musi być ściśle kontrolowana, aby zapewnić integralność struktury sieci krzemionki.

2. Różnica między prętem ze szkła kwarcowego a innymi materiałami szklanymi
Z podstawowego składu materiału, pręt ze szkła kwarcowego składa się prawie w całości z czystego dwutlenku krzemu. Ta wyjątkowo wysoka czystość sprawia, że ​​tworzy on w mikrostrukturze ciągłą i jednolitą trójwymiarową sieć. Natomiast zwykłe szkło, takie jak szkło sodowo-wapniowe, ma znacznie bardziej złożony skład i oprócz dwutlenku krzemu zawiera dużą ilość modyfikowanych tlenków.

Chociaż te dodane składniki poprawiają wydajność przetwarzania zwykłego szkła, zasadniczo zmieniają również podstawowe właściwości materiału. Szkło borokrzemowe, jako inny powszechny typ, ma skład pomiędzy tymi dwoma, a stosunkowo zrównoważone działanie uzyskuje się przez dodanie tlenku boru.

Pod względem właściwości termicznych pręty ze szkła kwarcowego wykazują doskonałą stabilność. Dzięki swojej strukturze czystego dwutlenku krzemu i dużej sile wiązania krzem-tlen, szkło kwarcowe może wytrzymać ekstremalnie wysokie temperatury bez mięknięcia i deformacji. Ta właściwość sprawia, że ​​jest to idealny wybór do eksperymentów wysokotemperaturowych i zastosowań przemysłowych.

Zwykłe szkło zaczyna mięknąć w stosunkowo niskich temperaturach, co poważnie ogranicza jego zastosowanie w środowiskach o wysokiej temperaturze. Chociaż szkło borokrzemianowe w pewnym stopniu poprawiło odporność na ciepło, nadal nie może osiągnąć poziomu szkła kwarcowego.

Pręty ze szkła kwarcowego mają wyjątkowo doskonałe właściwości przepuszczania światła dzięki bardzo czystemu składowi i jednolitej strukturze. Może nie tylko przepuszczać światło widzialne, ale także umożliwiać płynne przejście promieni ultrafioletowych i podczerwonych. Ta szerokopasmowa przepuszczalność światła jest trudna do osiągnięcia w przypadku innych materiałów szklanych.

Zwykłe szkło zawiera różne jony metali i zanieczyszczenia, co ma bardzo wyraźny efekt blokowania promieni ultrafioletowych, co sprawia, że ​​całkowicie nie może zastąpić szkła kwarcowego w zastosowaniach wymagających przepuszczania ultrafioletu. Chociaż właściwości optyczne szkła borokrzemianowego są lepsze niż zwykłego szkła, jego przepuszczalność światła w zakresie ultrafioletu jest nadal niższa niż szkła kwarcowego.

Pod względem stabilności chemicznej pręty ze szkła kwarcowego również sprawdzają się znakomicie. Ma dużą odporność na większość substancji kwasowych i będzie korodowany tylko przez kilka silnie żrących substancji, takich jak kwas fluorowodorowy. Ta doskonała odporność na korozję sprawia, że ​​jest szeroko stosowany w przemyśle chemicznym. Stabilność chemiczna zwykłego szkła jest stosunkowo słaba, szczególnie w środowiskach alkalicznych. Chociaż odporność chemiczna szkła borokrzemianowego została poprawiona, nadal nie jest ona porównywalna ze szkłem kwarcowym.

Z mikroskopowego punktu widzenia kolejną ważną cechą szkła kwarcowego jest jego wyjątkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Oznacza to, że wielkość szkła kwarcowego prawie nie zmienia się znacząco pod wpływem zmiany temperatury. Ta właściwość sprawia, że ​​jest niezastąpiony w precyzyjnych instrumentach optycznych i środowiskach o drastycznych zmianach temperatury. Zwykłe szkło ma znacznie większą rozszerzalność cieplną, co może powodować naprężenia, a nawet pękanie w przypadku wahań temperatury. Szkło borokrzemowe zmniejsza rozszerzalność cieplną dzięki specjalnej formule składu, ale nadal nie radzi sobie tak dobrze jak szkło kwarcowe.

W rzeczywistych scenariuszach zastosowań te różnice w wydajności bezpośrednio określają odpowiednie pola różnych materiałów szklanych. Pręty ze szkła kwarcowego są szeroko stosowane w zaawansowanych dziedzinach, takich jak produkcja półprzewodników, precyzyjna optyka i eksperymenty w wysokiej temperaturze, ze względu na ich doskonałą wszechstronną wydajność.

Zwykłe szkło wykorzystywane jest głównie w artykułach codziennego użytku i w budownictwie. Jego zaletami są niski koszt i łatwa obróbka. Szkło borokrzemianowe znalazło swoją własną pozycję na rynku i jest wykorzystywane w sprzęcie laboratoryjnym i niektórych specjalnych lampach.

3. Proces produkcji prętów ze szkła kwarcowego
Produkcja pręty ze szkła kwarcowego to złożony proces, który integruje naukę o materiałach, technologię wysokotemperaturową i precyzyjne przetwarzanie. Sedno leży w tym, jak przekształcić surowce krzemionkowe w produkty w kształcie pręta o określonych wymaganiach dotyczących wydajności i wielkości. Cały proces produkcyjny można podzielić na cztery główne etapy: przetwarzanie surowca, formowanie w stanie stopionym, tłoczenie i obróbka końcowa. Każdy etap wymaga ścisłej kontroli, aby zapewnić jakość produktu końcowego.

(1). Przygotowanie i obróbka wstępna surowców
Pierwszym ogniwem w produkcji szkła kwarcowego jest selekcja i oczyszczanie surowców. Zgodnie z wymaganiami dotyczącymi gatunku produktu jako surowce można wybrać naturalny piasek kwarcowy lub syntetyczną krzemionkę. W przypadku prętów kwarcowych o wysokich wymaganiach czystości zwykle stosuje się syntetyczną krzemionkę przygotowaną przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej, a jej czystość może osiągnąć ponad 99,9999%.

Surowce muszą przejść wiele procesów oczyszczania przed wejściem do procesu topienia: najpierw stosuje się trawienie w celu usunięcia zanieczyszczeń metalicznych, następnie chlorowanie w wysokiej temperaturze w celu dalszego oczyszczenia, a na koniec stosuje się precyzyjne przesiewanie w celu zapewnienia jednolitej wielkości cząstek. Jakość obróbki na tym etapie wpływa bezpośrednio na właściwości optyczne i stabilność termiczną produktu końcowego.

(2). Proces topienia w wysokiej temperaturze
Topienie jest podstawowym ogniwem produkcji szkła kwarcowego. Obecnie w przemyśle stosowane są głównie trzy technologie topienia:

Topienie elektryczne jest najbardziej tradycyjnym procesem produkcyjnym. W środowisku ochrony przed próżnią lub gazem obojętnym piasek kwarcowy topi się za pomocą łuku wysokotemperaturowego generowanego przez elektrodę grafitową. Metoda ta wymaga stosunkowo niewielkich nakładów na sprzęt i nadaje się do produkcji prętów kwarcowych o dużych rozmiarach, ale w produkcie może pozostać niewielka ilość zanieczyszczeń węglowych.

Metoda rafinacji gazowej wykorzystuje płomień wodorowo-tlenowy jako źródło ciepła, a temperatura może osiągnąć ponad 2000°C. Piasek kwarcowy o wysokiej czystości topi się w płomieniu wodorowo-tlenowym, a szkło kwarcowe o wyjątkowo wysokiej czystości można uzyskać poprzez precyzyjną kontrolę temperatury płomienia i czasu topienia. Metoda ta jest szczególnie odpowiednia do produkcji prętów kwarcowych o jakości optycznej, ale zużycie energii jest wysokie, a wydajność produkcji stosunkowo niska.

Topienie plazmowe to zaawansowana technologia opracowana w ostatnich latach. Wykorzystuje palnik plazmowy do generowania bardzo wysokiej temperatury (do 3000°C) w celu natychmiastowego stopienia surowców. Zaletą tej metody jest możliwość wytworzenia szkła kwarcowego o ultrawysokiej czystości, prawie wolnego od grup hydroksylowych i innych zanieczyszczeń, szczególnie odpowiedniego do zastosowań w półprzewodnikach i światłowodach, ale sprzęt jest skomplikowany i kosztowny.

(3). Proces formowania i ciągnienia
Roztopione szkło kwarcowe należy precyzyjnie uformować, aby uzyskać pręty spełniające wymagania. Istnieją dwie główne metody formowania:

Metoda formowania formowego polega na wtryskiwaniu stopionego kwarcu do specjalnej formy i uzyskiwaniu pożądanego kształtu poprzez precyzyjną kontrolę szybkości chłodzenia. Ta metoda jest odpowiednia do produkcji prętów kwarcowych o dużej średnicy, ale wewnątrz produktu może wystąpić koncentracja naprężeń.

Metoda ciągnienia ciągłego jest najczęściej stosowanym procesem produkcyjnym. Stopiony kwarc wypływa ze specjalnej płyty wyciekowej i jest wciągany ze stałą prędkością przez precyzyjnie kontrolowany układ trakcyjny. Dostosowując prędkość ciągnienia i temperaturę, można uzyskać różne specyfikacje produktów o średnicach od kilku milimetrów do setek milimetrów. Gradient temperatury i szybkość chłodzenia muszą być precyzyjnie kontrolowane podczas procesu ciągnienia, aby zapewnić dokładność wymiarową i jakość wewnętrzną pręta.

(4). Precyzyjna obróbka wyżarzania
Nowo uformowany pręt kwarcowy musi zostać poddany rygorystycznemu procesowi wyżarzania, aby wyeliminować naprężenia wewnętrzne. Proces wyżarzania odbywa się zwykle w specjalnym piecu do wyżarzania, w którym temperatura jest regulowana w zakresie 1100-1200℃, a czas izolacji zależy od wielkości pręta. Kluczem jest ścisła kontrola szybkości chłodzenia. Zwykle metoda chłodzenia jest podzielona na segmenty. Przejście ze strefy wysokiej temperatury do strefy niskiej temperatury może zająć kilka dni. Doskonałe wyżarzanie może znacznie poprawić stabilność termiczną i wytrzymałość mechaniczną pręta kwarcowego.

(5). Obróbka końcowa i wykańczanie
Wyżarzony pręt kwarcowy musi również przejść wiele precyzyjnych procesów obróbki:

Obróbka obejmuje szlifowanie cylindryczne, szlifowanie powierzchni czołowej itp. w celu zapewnienia dokładności wymiarowej i wykończenia powierzchni. W przypadku prętów kwarcowych o specjalnych wymaganiach może być wymagana skomplikowana obróbka, taka jak wiercenie i rowkowanie.

Obróbka powierzchniowa to kluczowy krok w kierunku poprawy wydajności, obejmujący procesy takie jak polerowanie ogniowe i trawienie chemiczne. Polerowanie ogniowe wykorzystuje płomień o wysokiej temperaturze do mikrostopienia powierzchni w celu uzyskania optycznie gładkiej powierzchni; trawienie chemiczne służy do usuwania warstwy uszkodzeń procesowych i poprawy wytrzymałości.

Specjalne zabiegi mogą obejmować: napromieniowanie UV w celu poprawy właściwości optycznych, obróbkę cieplną w wysokiej temperaturze w celu zmniejszenia zawartości grup hydroksylowych lub powlekanie powierzchni w celu wzmocnienia określonych funkcji zgodnie z wymaganiami zastosowania.

6. Kontrola i kontrola jakości
Gotowy pręt kwarcowy musi przejść szereg rygorystycznych procesów kontroli jakości przed opuszczeniem fabryki. Te elementy kontroli obejmują wiele kluczowych wskaźników wydajności materiału, takich jak optyka, fizyka, termika i chemia. Podczas testu wydajności optycznej technicy użyją precyzyjnego spektrofotometru do pomiaru charakterystyki transmitancji pręta kwarcowego przy różnych długościach fal, zwracając szczególną uwagę na jego transmitancję w pasmach ultrafioletowych i podczerwonych.

Jednocześnie interferometry laserowe i inny sprzęt zostaną wykorzystane do wykrycia jednorodności współczynnika załamania światła, aby zapewnić, że właściwości optyczne całego pręta kwarcowego spełniają wymagania projektowe. Te dane z testu optycznego są kluczowe dla ustalenia, czy pręt kwarcowy nadaje się do precyzyjnych systemów optycznych.

Wykrywanie dokładności wymiarów geometrycznych jest podstawowym ogniwem kontroli jakości. Inspektorzy będą używać precyzyjnych suwmiarki, mikrometrów i innych narzędzi pomiarowych do pomiaru podstawowych wymiarów pręta kwarcowego, takich jak średnica, długość i okrągłość. W przypadku zastosowań o wysokich wymaganiach można również zastosować trójwspółrzędną maszynę pomiarową w celu dokładniejszego wykrywania wymiarów, aby zapewnić kontrolowanie tolerancji geometrycznej pręta kwarcowego w dopuszczalnym zakresie. Test ten jest bezpośrednio powiązany z dokładnością dopasowania pręta kwarcowego w późniejszym procesie montażu i użytkowania.

Kontrola defektów wewnętrznych jest przeprowadzana głównie za pomocą profesjonalnego sprzętu testującego. Typowe metody obejmują obserwację mikroskopem optycznym, wykrywanie wad rentgenowskich i badania ultradźwiękowe. Te metody wykrywania pozwalają dokładnie zidentyfikować defekty, takie jak pęcherzyki, zanieczyszczenia, pęknięcia itp., które mogą występować wewnątrz pręta kwarcowego, a także określić klasę produktu na podstawie wielkości, ilości i rozmieszczenia defektów. Szczególnie w przypadku prętów kwarcowych klasy optycznej i półprzewodnikowej standardy kontroli defektów wewnętrznych są bardziej rygorystyczne i zwykle nie wymagają żadnych widocznych defektów.

Testowanie wydajności cieplnej obejmuje głównie dwa ważne elementy: test współczynnika rozszerzalności cieplnej i test odporności na szok termiczny. Badanie współczynnika rozszerzalności cieplnej wykorzystuje analizator termomechaniczny do pomiaru zmian wymiarowych pręta kwarcowego w różnych temperaturach. Test odporności na szok termiczny polega na szybkim przełączaniu pręta kwarcowego między środowiskami o wysokiej i niskiej temperaturze w celu sprawdzenia jego odporności na pękanie. Te dane dotyczące wydajności cieplnej stanowią doskonałą wartość referencyjną przy ocenie niezawodności prętów kwarcowych w środowiskach charakteryzujących się zmianami temperatury.

Testy stabilności chemicznej oceniają głównie tolerancję prętów kwarcowych w różnych środowiskach chemicznych. Typowe metody testowania obejmują zanurzanie próbek prętów kwarcowych w roztworach kwasów i zasad o różnych stężeniach, obserwację zmian ich powierzchni oraz pomiar zmian masy i zmian chropowatości powierzchni przed i po zanurzeniu.

Wśród nich szczególnie istotne jest badanie odporności na kwas fluorowodorowy, gdyż szkło kwarcowe jest szczególnie podatne na korozję w środowisku kwasu fluorowodorowego. Dzięki tym kompleksowym testom jakości można mieć pewność, że każdy pręt kwarcowy wysyłany z fabryki spełnia surowe standardy jakości i specjalne wymagania różnych scenariuszy zastosowań.

7. Obszary zastosowań pręty ze szkła kwarcowego
W dziedzinie inżynierii optycznej istotną rolę odgrywają pręty ze szkła kwarcowego. Ze względu na doskonałą przepuszczalność światła widzialnego i podczerwonego w pełnym paśmie UV, jest to idealny materiał do produkcji precyzyjnych elementów optycznych. W zastosowaniach technologii laserowej pręty kwarcowe są często używane jako ośrodki wnękowe rezonansowe i okna optyczne laserów, zwłaszcza w laserach CO2 o dużej mocy, gdzie pręty kwarcowe mogą wytrzymać niezwykle silną energię lasera bez uszkodzeń.

W systemach komunikacji światłowodowej pręty ze szkła kwarcowego o ultrawysokiej czystości są precyzyjnie ciągnione w celu utworzenia preform światłowodowych, które stanowią podstawowy surowiec do produkcji komunikacyjnych włókien optycznych. Podczas produkcji przyrządów optycznych pręty kwarcowe przetwarza się na różne soczewki, pryzmaty i okna optyczne, które są szeroko stosowane w precyzyjnych urządzeniach optycznych, takich jak spektrometry i mikroskopy.

Przemysł półprzewodników jest szczególnie zależny od prętów ze szkła kwarcowego. Podczas procesu produkcji płytek, z prętów kwarcowych powstają różne kształty nośników płytek, rurek dyfuzyjnych i elementów komory reakcyjnej. Komponenty te muszą wytrzymywać wysokie temperatury w procesie produkcji półprzewodników i muszą zapewniać, że nie zostaną wprowadzone żadne zanieczyszczające zanieczyszczenia.

W zaawansowanej technologii litografii w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV) elementy optyczne wykonane ze szkła kwarcowego stały się kluczem do osiągnięcia dokładności litografii na poziomie nano ze względu na ich wyjątkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i doskonałą jednorodność optyczną. Ponadto pręty ze szkła kwarcowego są również szeroko stosowane w oknach obserwacyjnych, rurociągach dostarczających gaz i innych częściach sprzętu półprzewodnikowego ze względu na ich obojętność chemiczną.

Przemysł chemiczny w pełni wykorzystuje odporność na korozję pręty ze szkła kwarcowego . W reaktorach chemicznych w środowisku silnego kwasu kwarcowe okna obserwacyjne mogą przez długi czas wytrzymywać różne erozje silnych kwasów, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego. Rurociągi dostarczające medium korozyjne, mieszadła i inne elementy w produkcji chemicznej są często wykonane ze szkła kwarcowego.

Szczególnie warto wspomnieć, że w eksperymentach reakcji chemicznych w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem kwarcowe naczynia reakcyjne są w stanie wytrzymać jednocześnie trudne temperatury i środowiska chemiczne, zapewniając badaczom niezawodne warunki eksperymentalne. Szkło kwarcowe sprawdza się w tych zastosowaniach znacznie lepiej niż zwykłe szkło i większość materiałów metalowych.

W ostatnich latach materiały ze szkła kwarcowego są coraz częściej stosowane w medycynie i zdrowiu. W sprzęcie medycznym pręty kwarcowe wykorzystywane są do produkcji elementów transmisji optycznej endoskopów, elementów kierujących światło laserowych narzędzi chirurgicznych itp. Doskonała biokompatybilność zapewnia, że ​​instrumenty te mogą być bezpiecznie stosowane w leczeniu ludzi.

W sprzęcie do dezynfekcji ultrafioletem pręty ze szkła kwarcowego o wysokiej przepuszczalności są stosowane jako materiały na lampy, aby zmaksymalizować skuteczność sterylizacji. Ponadto w niektórych precyzyjnych przyrządach do badań medycznych kwarcowe elementy optyczne zapewniają dokładność wyników badań.

Zapotrzebowanie na pręty ze szkła kwarcowego w dziedzinie badań naukowych i eksperymentów jest również silna. W eksperymentach fizyki wysokich energii pręty kwarcowe są wykorzystywane jako ważne elementy detektorów promieniowania Czerenkowa. W badaniach materiałoznawstwa tygle kwarcowe i naczynia reakcyjne zapewniają idealne środowisko do syntezy materiałów w wysokiej temperaturze.

W dziedzinie nauk o kosmosie odporność na promieniowanie szkła kwarcowego sprawia, że ​​jest to preferowany materiał do systemów optycznych statków kosmicznych. Te wysokiej klasy zastosowania w badaniach naukowych często wiążą się z ekstremalnymi wymaganiami dotyczącymi właściwości materiału, a pręty ze szkła kwarcowego zawsze doskonale spełniają to zadanie.