Каковы основные химические компоненты стержней из кварцевого стекла?

Основной химический компонент стержни из кварцевого стекла представляет собой диоксид кремния (SiO₂), чистота которого обычно превышает 99,9%, а кварцевое стекло высокой чистоты может достигать даже 99,9999% (марка 6Н).

1. Молекулярная структура диоксида кремния (SiO₂).
Основной причиной превосходных физических и химических свойств стержней из кварцевого стекла является особая молекулярная структура диоксида кремния. В отличие от обычного стекла, микроструктура кварцевого стекла представляет собой очень стабильную сетчатую структуру, которая напрямую определяет термические, оптические и механические свойства материала.

На атомном уровне основной структурной единицей диоксида кремния является кремний-кислородный тетраэдр. В этой структуре атом кремния расположен в центре, а четыре атома кислорода равномерно распределены по вершинам тетраэдра. Каждый атом кислорода образует прочную ковалентную связь с центральным атомом кремния. Этот метод соединения имеет чрезвычайно высокую энергию связи, что делает всю конструкцию чрезвычайно стабильной.

Особо примечательно, что каждый атом кислорода обычно образует мостик с двумя атомами кремния, соединяя таким образом соседние кремний-кислородные тетраэдры, образуя непрерывную трехмерную сетчатую структуру. Этот уникальный способ соединения обеспечивает кварцевому стеклу превосходную механическую прочность и химическую стабильность.

Наиболее примечательной структурной особенностью кварцевого стекла является его аморфная природа. Хотя расположение кремний-кислородных тетраэдров в локальном диапазоне остается упорядоченным, пространственное расположение этих тетраэдров совершенно неупорядочено в макроскопическом масштабе. Эта структурная особенность делает кварцевое стекло изотропным по физическим свойствам, то есть его свойства не изменяются с направлением измерения.

По сравнению с кристаллическим кварцем аморфная структура приводит к тому, что кварцевое стекло не имеет четкой температуры плавления, но постепенно размягчается при нагревании, что имеет большое значение для практического применения.

Сравнивая кварцевое стекло с кристаллическим кварцем, можно более четко понять его структурные характеристики. Кремний-кислородные тетраэдры в кристаллическом кварце расположены в соответствии со строгими правилами гексагональной кристаллической системы, образуя упорядоченную кристаллическую структуру на большие расстояния. Такое упорядоченное расположение приводит к тому, что кристаллический кварц проявляет анизотропию, например, знаменитое явление двойного лучепреломления. Однако кварцевое стекло лишено дальнего порядка и не дает двойного лучепреломления, что дает ему уникальное преимущество в оптических приложениях.

Особая структура кремнезема напрямую определяет ключевые свойства кварцевого стекла. Во-первых, непрерывная трехмерная сетчатая структура делает материал чрезвычайно прозрачным и обеспечивает превосходный коэффициент пропускания от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов. Во-вторых, сеть, состоящая из прочных ковалентных связей, может эффективно противостоять изменениям размеров, вызванным изменениями температуры, что придает материалу чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения. Кроме того, стабильные связи кремний-кислород делают кварцевое стекло инертным к большинству химических веществ и подвергается коррозии только плавиковой кислотой и сильными щелочами.

В практических приложениях даже следовые количества примесных элементов могут оказать существенное влияние на сетчатую структуру кремнезема. Например, когда ионы алюминия заменяют ионы кремния и попадают в сеть, возникают структурные дефекты, приводящие к снижению пропускания ультрафиолета материалом. Аналогичным образом, введение ионов щелочных металлов нарушит сеть связей кремний-кислород и значительно снизит устойчивость материала к высоким температурам. Поэтому в высокопроизводительных приложениях чистота сырья должна строго контролироваться, чтобы обеспечить целостность структуры сетки кремнезема.

2. Разница между стержнем из кварцевого стекла и другими стеклянными материалами
Судя по основному составу материала, стержень из кварцевого стекла почти полностью состоит из чистого диоксида кремния. Благодаря чрезвычайно высокой чистоте он образует непрерывную и однородную трехмерную сетку в микроструктуре. Напротив, обычное стекло, такое как натриево-известковое стекло, гораздо более сложное по составу и содержит помимо диоксида кремния большое количество модифицированных оксидов.

Хотя эти добавленные компоненты улучшают характеристики обработки обычного стекла, они также фундаментально меняют основные свойства материала. Боросиликатное стекло, как еще один распространенный тип, имеет промежуточный состав, и относительно сбалансированные характеристики достигаются за счет добавления оксида бора.

С точки зрения термических свойств стержни из кварцевого стекла демонстрируют отличную стабильность. Благодаря своей структуре чистого диоксида кремния и сильной силе связи кремний-кислород, кварцевое стекло может выдерживать экстремально высокие температуры без размягчения и деформации. Это свойство делает его идеальным выбором для высокотемпературных экспериментов и промышленного применения.

Обычное стекло начинает размягчаться при относительно низких температурах, что существенно ограничивает его использование в условиях высоких температур. Хотя боросиликатное стекло и обладает в определенной степени улучшенной термостойкостью, оно все же не может достичь уровня кварцевого стекла.

Стержни из кварцевого стекла имеют чрезвычайно превосходные характеристики светопропускания благодаря чистому составу и однородной структуре. Он может не только передавать видимый свет, но также беспрепятственно пропускать ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Такую широкополосную способность пропускания света трудно достичь другим стеклянным материалам.

Обычное стекло содержит различные ионы металлов и примеси, которые оказывают весьма очевидное блокирующее действие на ультрафиолетовые лучи, что делает его совершенно неспособным заменить кварцевое стекло в тех случаях, когда требуется пропускание ультрафиолета. Хотя оптические свойства боросиликатного стекла лучше, чем у обычного стекла, его светопроницаемость в ультрафиолетовой области все же ниже, чем у кварцевого стекла.

С точки зрения химической стабильности стержни из кварцевого стекла также превосходны. Он обладает сильной устойчивостью к большинству кислотных веществ и подвергается коррозии лишь некоторыми сильнокоррозийными веществами, такими как плавиковая кислота. Превосходная коррозионная стойкость делает его широко используемым в химической промышленности. Химическая стабильность обычного стекла относительно низкая, особенно в щелочной среде. Хотя химическая стойкость боросиликатного стекла была улучшена, оно все еще не сравнимо с кварцевым стеклом.

С микроскопической точки зрения еще одной важной особенностью кварцевого стекла является чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения. Это означает, что размер кварцевого стекла практически не меняется при изменении температуры. Это свойство делает его незаменимым в прецизионных оптических приборах и средах с резкими перепадами температур. Обычное стекло имеет гораздо большее тепловое расширение, что может вызвать напряжение и даже растрескивание при колебаниях температуры. Боросиликатное стекло уменьшает тепловое расширение благодаря специальной формуле состава, но оно по-прежнему не работает так же хорошо, как кварцевое стекло.

В реальных сценариях применения эти различия в характеристиках напрямую определяют области применения различных стеклянных материалов. Стержни из кварцевого стекла широко используются в высокотехнологичных областях, таких как производство полупроводников, прецизионная оптика и высокотемпературные эксперименты, благодаря их превосходным комплексным характеристикам.

Обычное стекло в основном используется в предметах первой необходимости и в строительстве. Его преимущества – низкая стоимость и простота обработки. Боросиликатное стекло нашло свою позицию на рынке и используется в лабораторной посуде и некоторых специальных лампах.

3. Процесс производства стержней из кварцевого стекла
Производство стержни из кварцевого стекла Это сложный процесс, объединяющий науку о материалах, высокотемпературные технологии и прецизионную обработку. Суть заключается в том, как преобразовать сырьё из кремнезема в продукты в форме стержней с особыми требованиями к производительности и размерам. Весь производственный процесс можно разделить на четыре основных этапа: обработка сырья, формование из расплава, волочение и последующая обработка. Каждый этап требует строгого контроля для обеспечения качества конечного продукта.

(1). Подготовка и предварительная обработка сырья
Первым звеном производства кварцевого стекла является отбор и очистка сырья. В зависимости от требований к марке продукции в качестве сырья можно выбрать природный кварцевый песок или синтетический кремнезем. Для кварцевых стержней с высокими требованиями к чистоте обычно используется синтетический кремнезем, полученный методом химического осаждения из паровой фазы, чистота которого может достигать более 99,9999%.

Прежде чем попасть в процесс плавки, сырье должно пройти несколько процессов очистки: сначала используется травление для удаления металлических примесей, затем для дальнейшей очистки проводится высокотемпературная обработка хлорированием и, наконец, используется прецизионный скрининг для обеспечения однородного размера частиц. Качество обработки на этом этапе напрямую влияет на оптические свойства и термическую стабильность конечного продукта.

(2). Процесс высокотемпературной плавки
Плавка является основным звеном производства кварцевого стекла. В настоящее время в промышленности в основном применяются три технологии плавки:

Электроплавка является наиболее традиционным производственным процессом. В вакууме или среде защиты инертного газа кварцевый песок плавится высокотемпературной дугой, генерируемой графитовым электродом. Этот метод требует относительно небольших инвестиций в оборудование и подходит для производства кварцевых стержней больших размеров, однако в продукте может оставаться небольшое количество примесей углерода.

В методе очистки газа в качестве источника тепла используется водородно-кислородное пламя, а температура может достигать более 2000°C. Кварцевый песок высокой чистоты плавят в водородно-кислородном пламени, а кварцевое стекло особо высокой чистоты можно получить, точно контролируя температуру пламени и время плавления. Этот метод особенно подходит для производства кварцевых стержней оптического качества, но потребление энергии велико, а эффективность производства относительно низкая.

Плазменная плавка — это высокотехнологичная технология, разработанная в последние годы. Он использует плазменную горелку для создания сверхвысокой температуры (до 3000°C) для мгновенного плавления сырья. Преимущество этого метода заключается в том, что с его помощью можно производить кварцевое стекло сверхвысокой чистоты, которое почти не содержит гидроксилов и других примесей и особенно подходит для изготовления полупроводников и оптических волокон, но оборудование является сложным и дорогостоящим.

(3). Процесс формования и рисования
Расплавленное кварцевое стекло необходимо точно отформовать, чтобы получить стержни, соответствующие требованиям. Существует два основных метода формования:

При методе формования расплавленный кварц впрыскивается в специальную форму и приобретает желаемую форму за счет точного контроля скорости охлаждения. Этот метод подходит для изготовления кварцевых стержней большого диаметра, однако внутри изделия может возникнуть концентрация напряжений.

Метод непрерывного волочения является наиболее часто используемым производственным процессом. Расплавленный кварц вытекает из специальной пластины и вытягивается с постоянной скоростью через точно контролируемую систему тяги. Регулируя скорость и температуру волочения, можно получить различные характеристики изделий диаметром от нескольких миллиметров до сотен миллиметров. Градиент температуры и скорость охлаждения необходимо точно контролировать в процессе волочения, чтобы обеспечить точность размеров и внутреннее качество стержня.

(4). Прецизионный отжиг
Вновь сформированный кварцевый стержень должен пройти строгий процесс отжига для устранения внутренних напряжений. Процесс отжига обычно проводится в специальной печи отжига с температурой, контролируемой в пределах 1100-1200 ℃, а время изоляции зависит от размера стержня. Главное — строго контролировать скорость охлаждения. Обычно метод охлаждения является сегментным. Переход от зоны высокой температуры к зоне низкой температуры может занять несколько дней. Идеальный отжиг позволяет значительно улучшить термическую стабильность и механическую прочность кварцевого стержня.

(5). Постобработка и отделка
Отожженный кварцевый стержень также должен пройти несколько процессов точной обработки:

Механическая обработка включает круглое шлифование, шлифование торцевых поверхностей и т. д. для обеспечения точности размеров и качества поверхности. Для кварцевых стержней с особыми требованиями может потребоваться сложная обработка, такая как сверление и нарезание канавок.

Обработка поверхности является ключевым шагом для повышения производительности, включая такие процессы, как огневая полировка и химическое травление. При огневой полировке используется высокотемпературное пламя для микроплавления поверхности и получения оптически гладкой поверхности; Химическое травление используется для удаления слоя повреждений при обработке и повышения прочности.

Специальная обработка может включать: УФ-облучение для улучшения оптических свойств, высокотемпературную термообработку для снижения содержания гидроксила или покрытие поверхности для улучшения конкретных функций в соответствии с требованиями применения.

6. Проверка и контроль качества
Готовый кварцевый стержень должен пройти ряд строгих проверок качества, прежде чем покинуть завод. Эти элементы проверки охватывают несколько ключевых показателей эффективности материала, таких как оптика, физика, термические и химические свойства. При тестировании оптических характеристик технические специалисты будут использовать прецизионный спектрофотометр для измерения характеристик пропускания кварцевого стержня на разных длинах волн, уделяя особое внимание его характеристикам пропускания в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.

В то же время лазерные интерферометры и другое оборудование будут использоваться для обнаружения однородности показателя преломления, чтобы гарантировать, что оптические характеристики всего кварцевого стержня соответствуют проектным требованиям. Эти данные оптических испытаний имеют решающее значение для определения того, является ли кварцевый стержень подходит для прецизионных оптических систем.

Определение точности геометрических размеров является основным звеном контроля качества. Инспекторы будут использовать высокоточные штангенциркули, микрометры и другие измерительные инструменты для измерения основных размеров кварцевого стержня, таких как диаметр, длина и округлость. В приложениях с высокими требованиями также можно использовать трехкоординатную измерительную машину для более точного определения размеров, чтобы гарантировать, что геометрический допуск кварцевого стержня контролируется в пределах допустимого диапазона. Этот тест напрямую связан с точностью соответствия кварцевого стержня в последующем процессе сборки и использования.

Проверка внутренних дефектов в основном выполняется с помощью профессионального испытательного оборудования. Общие методы включают наблюдение с помощью оптического микроскопа, рентгеновскую дефектоскопию и ультразвуковой контроль. Эти методы обнаружения позволяют точно идентифицировать дефекты, такие как пузырьки, примеси, трещины и т. д., которые могут существовать внутри кварцевого стержня, и определять сорт продукта в зависимости от размера, количества и распределения дефектов. Стандарты контроля внутренних дефектов более строгие, особенно для кварцевых стержней оптического и полупроводникового качества, и обычно вообще не требуют видимых дефектов.

Испытание тепловых характеристик в основном включает в себя два важных пункта: испытание коэффициента теплового расширения и испытание на устойчивость к тепловому удару. При испытании коэффициента теплового расширения используется термомеханический анализатор для измерения изменений размеров кварцевого стержня при различных температурах. Испытание на термостойкость заключается в быстром переключении кварцевого стержня между средами с высокой и низкой температурой для проверки его трещиностойкости. Эти данные о тепловых характеристиках имеют большое справочное значение для оценки надежности кварцевых стержней в условиях изменения температуры.

Испытания на химическую стабильность в основном оценивают устойчивость кварцевых стержней в различных химических средах. Обычные методы испытаний включают погружение образцов кварцевых стержней в растворы кислот и щелочей различной концентрации, наблюдение за изменениями их поверхности, а также измерение изменений веса и изменений шероховатости поверхности до и после погружения.

Среди них особенно важным является испытание на стойкость к плавиковой кислоте, поскольку кварцевое стекло особенно подвержено коррозии в среде плавиковой кислоты. Благодаря этим всесторонним тестам качества можно гарантировать, что каждый кварцевый стержень, поставляемый с завода, соответствует строгим стандартам качества и особым требованиям различных сценариев применения.

7. Области применения стержни из кварцевого стекла
В области оптической техники стержни из кварцевого стекла играют жизненно важную роль. Благодаря превосходному коэффициенту пропускания света в УФ-видимом-инфракрасном диапазоне, он является идеальным материалом для изготовления высокоточных оптических компонентов. В лазерных технологиях кварцевые стержни часто используются в качестве резонансной среды и оптических окон лазеров, особенно в мощных CO2-лазерах, где кварцевые стержни могут без повреждений выдерживать чрезвычайно сильную лазерную энергию.

В системах оптоволоконной связи стержни из кварцевого стекла сверхвысокой чистоты точно вытягиваются для формирования заготовок оптического волокна, которые являются основным сырьем для производства оптических волокон связи. При производстве оптических приборов кварцевые стержни перерабатываются в различные линзы, призмы и оптические окна, которые широко используются в высокоточной оптической аппаратуре, например спектрометрах и микроскопах.

Полупроводниковая промышленность особенно зависит от стержней из кварцевого стекла. В процессе производства пластин из кварцевых стержней изготавливают различные формы носителей пластин, диффузионных трубок и компонентов реакционной камеры. Эти компоненты должны выдерживать высокие температуры в процессе производства полупроводников и обеспечивать отсутствие загрязняющих примесей.

В передовой технологии литографии в крайнем ультрафиолете (EUV) оптические компоненты из кварцевого стекла стали ключом к достижению точности литографии на наноуровне благодаря их чрезвычайно низкому коэффициенту теплового расширения и превосходной оптической однородности. Кроме того, стержни из кварцевого стекла также широко используются в смотровых окнах, газопроводах и других частях полупроводниковой техники из-за их химической инертности.

Химическая промышленность в полной мере использует коррозионную стойкость стержни из кварцевого стекла . В химических реакторах, работающих в сильнокислотных средах, кварцевые смотровые окна в течение длительного времени выдерживают различные сильные кислотные эрозии, за исключением плавиковой кислоты. Трубопроводы подачи агрессивных сред, мешалки и другие детали в химических производствах также часто изготавливают из кварцевого стекла.

Особо стоит отметить, что в экспериментах по химическим реакциям при высоких температурах и давлениях кварцевые реакционные сосуды могут одновременно выдерживать суровые температуры и химическую среду, обеспечивая надежные экспериментальные условия для исследователей. Кварцевое стекло в этих целях работает намного лучше, чем обычное стекло и большинство металлических материалов.

В последние годы материалы из кварцевого стекла все чаще используются в области медицины и здравоохранения. В медицинской технике кварцевые стержни используются для изготовления оптических передающих компонентов эндоскопов, световодных элементов лазерных хирургических инструментов и т. д. Его превосходная биосовместимость обеспечивает безопасное использование этих инструментов для лечения человека.

В оборудовании для ультрафиолетовой дезинфекции в качестве лампового материала используются стержни из кварцевого стекла с высоким коэффициентом пропускания, чтобы максимизировать эффективность стерилизации. Кроме того, в некоторых прецизионных медицинских приборах кварцевые оптические элементы обеспечивают точность результатов испытаний.

Спрос на стержни из кварцевого стекла в области научных исследований и экспериментов также сильна. В экспериментах по физике высоких энергий кварцевые стержни используются в качестве важных компонентов детекторов черенковского излучения. В исследованиях в области материаловедения кварцевые тигли и реакционные сосуды обеспечивают идеальную среду для высокотемпературного синтеза материалов.

В области космической науки радиационная стойкость кварцевого стекла делает его предпочтительным материалом для оптических систем космических кораблей. Эти высокотехнологичные научные исследования часто предъявляют экстремальные требования к свойствам материалов, и стержни из кварцевого стекла всегда превосходно справляются с этой задачей.