Vilka är de viktigaste kemiska komponenterna i kvartsglasstavar?

Den huvudsakliga kemiska komponenten av stavar av kvartsglas är kiseldioxid (SiO₂), vars renhet vanligtvis är över 99,9 %, och kvartsglas med hög renhet kan till och med nå 99,9999 % (6N-kvalitet).

1. Molekylär struktur av kiseldioxid (SiO₂)
Den grundläggande anledningen till att kvartsglasstavar har utmärkta fysikaliska och kemiska egenskaper är den speciella molekylära strukturen hos kiseldioxid. Till skillnad från vanligt glas uppvisar mikrostrukturen hos kvartsglas en mycket stabil nätverksliknande egenskap, som direkt bestämmer materialets termiska, optiska och mekaniska egenskaper.

På atomnivå är den grundläggande strukturella enheten för kiseldioxid kisel-syretetraedern. I denna struktur är en kiselatom belägen i mitten, och fyra syreatomer är jämnt fördelade vid tetraederns hörn. Varje syreatom bildar en stark kovalent bindning med den centrala kiselatomen. Denna bindningsmetod har extremt hög bindningsenergi, vilket gör hela strukturen extremt stabil.

Det är särskilt anmärkningsvärt att varje syreatom vanligtvis bildar en brygga med två kiselatomer, och därmed förbinder intilliggande kisel-syretetraeder för att bilda en kontinuerlig tredimensionell nätverksstruktur. Detta unika anslutningsläge ger kvartsglas med utmärkt mekanisk styrka och kemisk stabilitet.

Den mest anmärkningsvärda strukturella egenskapen hos kvartsglas är dess amorfa natur. Även om arrangemanget av kisel-syretetraedrar i det lokala området förblir ordnat, är det rumsliga arrangemanget av dessa tetraeder helt oordnat från en makroskopisk skala. Denna strukturella egenskap gör att kvartsglas är isotropiskt i fysikaliska egenskaper, det vill säga dess egenskaper ändras inte med mätriktningen.

Jämfört med kristallint kvarts gör den amorfa strukturen att kvartsglas inte har någon klar smältpunkt utan mjuknar gradvis under uppvärmning, vilket är av stor betydelse i praktiska tillämpningar.

Att jämföra kvartsglas med kristallint kvarts kan tydligare förstå dess strukturella egenskaper. Kisel-syretetraedrarna i kristallint kvarts är arrangerade enligt strikta regler för hexagonala kristallsystem för att bilda en långvägsordnad kristallstruktur. Detta ordnade arrangemang gör att kristallin kvarts uppvisar anisotropi, såsom det berömda dubbelbrytningsfenomenet. Kvartsglas saknar dock denna långväga ordning och ger inte dubbelbrytning, vilket ger det en unik fördel i optiska applikationer.

Den speciella strukturen hos kiseldioxid bestämmer direkt de viktigaste egenskaperna hos kvartsglas. För det första gör den kontinuerliga tredimensionella nätverksstrukturen materialet extremt transparent, och det kan upprätthålla utmärkt överföring från ultravioletta till infraröda band. För det andra kan nätverket som består av starka kovalenta bindningar effektivt motstå de dimensionsförändringar som orsakas av temperaturförändringar, vilket ger materialet en extremt låg värmeutvidgningskoefficient. Dessutom gör de stabila kisel-syrebindningarna kvartsglas inert mot de flesta kemikalier och kommer endast att korroderas av fluorvätesyra och starka alkalier.

I praktiska tillämpningar kan även spårmängder av föroreningselement ha en betydande effekt på nätverksstrukturen hos kiseldioxid. Till exempel, när aluminiumjoner ersätter kiseljoner och kommer in i nätverket, kommer strukturella defekter att orsakas, vilket resulterar i en minskning av materialets ultravioletta transmittans. På liknande sätt kommer införandet av alkalimetalljoner att avbryta kisel-syrebindningsnätverket och avsevärt minska materialets motståndskraft mot höga temperaturer. Därför, i högpresterande applikationer, måste renheten hos råmaterialen kontrolleras strikt för att säkerställa integriteten hos kiseldioxidnätverksstrukturen.

2. Skillnaden mellan kvartsglasstav och andra glasmaterial
Från den grundläggande sammansättningen av materialet, kvartsglasstav består nästan helt av ren kiseldioxid. Denna extremt höga renhet gör att den bildar ett kontinuerligt och enhetligt tredimensionellt nätverk i mikrostrukturen. Däremot är vanligt glas som soda-kalkglas mycket mer komplex i sammansättningen och innehåller en stor mängd modifierade oxider förutom kiseldioxid.

Även om dessa tillsatta komponenter förbättrar bearbetningsprestandan hos vanligt glas, förändrar de också i grunden materialets väsentliga egenskaper. Borosilikatglas, som en annan vanlig typ, har en sammansättning mellan de två, och en relativt balanserad prestanda erhålls genom att tillsätta boroxid.

När det gäller termiska egenskaper visar kvartsglasstavar utmärkt stabilitet. På grund av sin rena kiseldioxidstruktur och starka bindningskraft kisel-syre kan kvartsglas motstå extrema höga temperaturer utan att mjukna upp och deformeras. Denna egenskap gör den till ett idealiskt val för högtemperaturexperiment och industriella applikationer.

Vanligt glas börjar mjukna vid relativt låga temperaturer, vilket kraftigt begränsar dess användning i högtemperaturmiljöer. Även om borosilikatglas har förbättrat värmebeständigheten i viss utsträckning, kan det fortfarande inte nå nivån av kvartsglas.

Stavar av kvartsglas har extremt utmärkta ljustransmissionsegenskaper på grund av sin mycket rena sammansättning och enhetliga struktur. Det kan inte bara överföra synligt ljus, utan också låta ultravioletta och infraröda strålar passera smidigt. Denna bredbandiga ljustransmissionsförmåga är svår att uppnå för andra glasmaterial.

Vanligt glas innehåller olika metalljoner och föroreningar, vilket har en mycket tydlig blockerande effekt på ultravioletta strålar, vilket gör det helt oförmöget att ersätta kvartsglas i applikationer som kräver ultraviolett transmission. Även om de optiska egenskaperna hos borosilikatglas är bättre än vanligt glas, är dess ljustransmittans i det ultravioletta området fortfarande lägre än för kvartsglas.

När det gäller kemisk stabilitet presterar även kvartsglasstavar enastående. Den har stark motståndskraft mot de flesta sura ämnen och kommer endast att korroderas av ett fåtal mycket frätande ämnen som fluorvätesyra. Denna utmärkta korrosionsbeständighet gör att den används i stor utsträckning inom den kemiska industrin. Den kemiska stabiliteten hos vanligt glas är relativt dålig, särskilt i alkaliska miljöer. Även om borosilikatglasets kemiska beständighet har förbättrats är det fortfarande inte jämförbart med kvartsglas.

Ur ett mikroskopiskt perspektiv är en annan viktig egenskap hos kvartsglas dess extremt låga värmeutvidgningskoefficient. Det gör att storleken på kvartsglas knappast ändras nämnvärt när temperaturen ändras. Denna egenskap gör den oersättlig i optiska precisionsinstrument och miljöer med drastiska temperaturförändringar. Vanligt glas har mycket större termisk expansion, vilket kan orsaka spänningar och till och med sprickbildning när temperaturen fluktuerar. Borosilikatglas minskar termisk expansion genom en speciell sammansättningsformel, men det fungerar fortfarande inte lika bra som kvartsglas.

I faktiska tillämpningsscenarier bestämmer dessa prestandaskillnader direkt de tillämpliga områdena för olika glasmaterial. Kvartsglasstavar används i stor utsträckning inom avancerade områden som halvledartillverkning, precisionsoptik och högtemperaturexperiment på grund av deras utmärkta omfattande prestanda.

Vanligt glas används främst i dagliga förnödenheter och byggnadsområden. Dess fördelar är låg kostnad och enkel bearbetning. Borosilikatglas har hittat sin egen marknadsposition och används i laboratorieredskap och vissa speciallampor.

3. Framställningsprocess för kvartsglasstavar
Tillverkningen av stavar av kvartsglas är en komplex process som integrerar materialvetenskap, högtemperaturteknik och precisionsbearbetning. Kärnan ligger i hur man omvandlar kiseldioxidråvaror till stavformade produkter med specifika prestanda- och storlekskrav. Hela produktionsprocessen kan delas in i fyra huvudsteg: råmaterialbearbetning, smältgjutning, ritgjutning och efterbearbetning. Varje steg kräver strikt kontroll för att säkerställa kvaliteten på slutprodukten.

(1). Råvaruberedning och förbehandling
Den första länken i kvartsglasproduktion är val och rening av råvaror. Enligt produktkvalitetskraven kan naturlig kvartssand eller syntetisk kiseldioxid väljas som råmaterial. För kvartsstavar med höga krav på renhet används vanligtvis syntetisk kiseldioxid framställd genom kemisk ångavsättning, och dess renhet kan nå mer än 99,9999%.

Råvarorna måste genomgå flera reningsprocesser innan de går in i smältprocessen: först används betning för att avlägsna metallföroreningar, sedan utförs högtemperaturkloreringsbehandling för ytterligare rening, och slutligen används precisionsscreening för att säkerställa enhetlig partikelstorlek. Bearbetningskvaliteten i detta skede påverkar direkt slutproduktens optiska egenskaper och termiska stabilitet.

(2). Smältprocess vid hög temperatur
Smältning är kärnan i produktionen av kvartsglas. För närvarande används tre smälttekniker huvudsakligen inom industrin:

Elektrisk smältning är den mest traditionella tillverkningsprocessen. I en vakuum- eller inertgasskyddsmiljö smälts kvartssanden av en högtemperaturbåge som genereras av en grafitelektrod. Denna metod har relativt låg utrustningsinvestering och är lämplig för produktion av stora kvartsstavar, men en liten mängd kolföroreningar kan finnas kvar i produkten.

Gasraffineringsmetoden använder en väte-syrelåga som värmekälla, och temperaturen kan nå över 2000°C. Kvartssand med hög renhet smälts i väte-syre-flamman, och extremt högrent kvartsglas kan erhållas genom att exakt kontrollera lågtemperaturen och smälttiden. Denna metod är särskilt lämpad för tillverkning av kvartsstavar av optisk kvalitet, men energiförbrukningen är hög och produktionseffektiviteten relativt låg.

Plasmasmältning är en avancerad teknik som utvecklats under de senaste åren. Den använder en plasmafackla för att generera ultrahög temperatur (upp till 3000°C) för att smälta råvarorna direkt. Fördelen med denna metod är att den kan producera kvartsglas med ultrahög renhet, som är nästan fritt från hydroxyl och andra föroreningar, och är särskilt lämplig för halvledar- och optiska fibrer, men utrustningen är komplex och kostsam.

(3). Gjut- och ritprocess
Det smälta kvartsglaset behöver gjutas exakt för att få stavar som uppfyller kraven. Det finns två huvudsakliga formningsmetoder:

Formgjutningsmetoden injicerar smält kvarts i en speciell form och erhåller den önskade formen genom att exakt styra kylningshastigheten. Denna metod är lämplig för att producera kvartsstavar med stor diameter, men det kan finnas spänningskoncentrationer inuti produkten.

Den kontinuerliga ritmetoden är den mest använda produktionsprocessen. Den smälta kvartsen rinner ut ur en speciell läckplatta och dras med konstant hastighet genom ett noggrant kontrollerat dragsystem. Genom att justera ritningshastigheten och temperaturen kan olika specifikationer av produkter med diametrar från några millimeter till hundratals millimeter erhållas. Temperaturgradienten och kylhastigheten måste kontrolleras exakt under ritningsprocessen för att säkerställa stavens dimensionella noggrannhet och inre kvalitet.

(4). Precisionsglödgningsbehandling
Den nybildade kvartsstaven måste genomgå en strikt glödgningsprocess för att eliminera inre spänningar. Glödgningsprocessen utförs vanligtvis i en speciell glödgningsugn, med temperaturen kontrollerad mellan 1100-1200 ℃, och isoleringstiden beror på stavens storlek. Nyckeln är att strikt kontrollera kylningshastigheten. Vanligtvis är kylmetoden segmenterad. Det kan ta flera dagar från zonen med hög temperatur till zonen med låg temperatur. Perfekt glödgning kan avsevärt förbättra den termiska stabiliteten och den mekaniska hållfastheten hos kvartsstaven.

(5). Efterbearbetning och efterbehandling
Den glödgade kvartsstaven måste också genomgå flera precisionsbearbetningsprocesser:

Bearbetning inkluderar cylindrisk slipning, ändslipning etc. för att säkerställa dimensionsnoggrannhet och ytfinish. För kvartsstavar med speciella krav kan komplex bearbetning som borrning och spårning krävas.

Ytbehandling är ett nyckelsteg för att förbättra prestanda, inklusive processer som brandpolering och kemisk etsning. Brandpolering använder en låga med hög temperatur för att mikrosmälta ytan för att erhålla en optiskt slät yta; kemisk etsning används för att ta bort bearbetningsskadeskiktet och förbättra styrkan.

Särskilda behandlingar kan innefatta: UV-bestrålning för att förbättra optiska egenskaper, värmebehandling vid hög temperatur för att minska hydroxylhalten eller ytbeläggning för att förbättra specifika funktioner enligt applikationskrav.

6. Kvalitetsinspektion och kontroll
Den färdiga kvartsstaven måste genomgå en serie strikta kvalitetskontrollprocesser innan den lämnar fabriken. Dessa inspektionsartiklar täcker flera nyckelprestandaindikatorer för materialet, såsom optik, fysik, termisk och kemi. I det optiska prestandatestet kommer tekniker att använda en precisionsspektrofotometer för att mäta kvartsstavens transmittansegenskaper vid olika våglängder, med särskild uppmärksamhet på dess transmittansprestanda i de ultravioletta och infraröda banden.

Samtidigt kommer laserinterferometrar och annan utrustning att användas för att detektera brytningsindexets enhetlighet för att säkerställa att den optiska prestandan för hela kvartsstaven uppfyller designkraven. Dessa optiska testdata är avgörande för att avgöra om kvartsstav är lämplig för optiska precisionssystem.

Detektering av geometrisk dimensionsnoggrannhet är den grundläggande länken för kvalitetskontroll. Inspektörerna kommer att använda högprecisionsok, mikrometrar och andra mätverktyg för att mäta de grundläggande dimensionerna av kvartsstaven, såsom diameter, längd och rundhet. För applikationer med hög efterfrågan kan en trekoordinatmätmaskin också användas för mer exakt dimensionell detektering för att säkerställa att den geometriska toleransen för kvartsstaven kontrolleras inom det tillåtna området. Detta test är direkt relaterat till matchningsnoggrannheten hos kvartsstaven i den efterföljande monterings- och användningsprocessen.

Invändig defektinspektion utförs huvudsakligen av professionell testutrustning. Vanliga metoder inkluderar observation av optiskt mikroskop, upptäckt av röntgenfel och ultraljudstestning. Dessa detektionsmetoder kan exakt identifiera defekter som bubblor, föroreningar, sprickor etc. som kan finnas inuti kvartsstaven, och bestämma produktkvaliteten enligt storleken, kvantiteten och fördelningen av defekterna. Speciellt för optiska och halvledarkvartsstavar är kontrollstandarderna för interna defekter strängare och kräver vanligtvis inga synliga defekter alls.

Termisk prestandatestning inkluderar huvudsakligen två viktiga punkter: termisk expansionskoefficienttest och termisk chockbeständighetstest. Det termiska expansionskoefficienttestet använder en termomekanisk analysator för att mäta dimensionsförändringarna hos kvartsstaven vid olika temperaturer. Termisk chockbeständighetstestet är att snabbt växla kvartsstaven mellan hög- och lågtemperaturmiljöer för att observera dess sprickmotstånd. Dessa termiska prestandadata är av stort referensvärde för att utvärdera tillförlitligheten hos kvartsstavar i temperaturförändringsmiljöer.

Kemisk stabilitetstestning utvärderar främst toleransen hos kvartsstavar i olika kemiska miljöer. Vanliga testmetoder inkluderar nedsänkning av kvartsstavprover i sura och alkaliska lösningar av olika koncentrationer, observation av deras ytförändringar och mätning av viktförändringar och ytojämnheter före och efter nedsänkning.

Bland dem är testet av motståndskraft mot fluorvätesyra särskilt viktigt, eftersom kvartsglas är särskilt känsligt för korrosion i en fluorvätesyramiljö. Genom dessa omfattande kvalitetstester kan det säkerställas att varje kvartsstav som skickas från fabriken uppfyller stränga kvalitetsstandarder och uppfyller de speciella kraven i olika tillämpningsscenarier.

7. Användningsområden för stavar av kvartsglas
Inom området optisk teknik spelar kvartsglasstavar en viktig roll. På grund av dess utmärkta UV-synliga-infraröda helbandsljustransmittans är det ett idealiskt material för tillverkning av optiska komponenter med hög precision. I laserteknologiapplikationer används kvartsstavar ofta som resonanshålighetsmedia och optiska fönster för lasrar, särskilt i högeffekts CO2-lasrar, där kvartsstavar tål extremt stark laserenergi utan skador.

I kommunikationssystem för optiska fibrer dras stavar av ultrahög renhet av kvartsglas exakt för att bilda optiska fiberförformer, som är kärnråmaterialen för tillverkning av optiska kommunikationsfibrer. Vid tillverkning av optiska instrument bearbetas kvartsstavar till olika linser, prismor och optiska fönster, som ofta används i optisk utrustning med hög precision som spektrometrar och mikroskop.

Halvledarindustrin är särskilt beroende av kvartsglasstavar. Under wafertillverkningsprocessen görs kvartsstavar till olika former av waferbärare, diffusionsrör och reaktionskammarkomponenter. Dessa komponenter måste motstå miljön med hög temperatur i halvledartillverkningsprocessen och måste säkerställa att inga förorenande föroreningar införs.

I avancerad extrem ultraviolett (EUV) litografiteknik har optiska komponenter gjorda av kvartsglas blivit nyckeln till att uppnå litografinoggrannhet på nanonivå på grund av deras extremt låga värmeutvidgningskoefficient och utmärkta optiska enhetlighet. Dessutom används kvartsglasstavar också i stor utsträckning i observationsfönster, gasledningar och andra delar av halvledarutrustning på grund av deras kemiska tröghet.

Den kemiska industrin utnyttjar till fullo korrosionsbeständigheten hos stavar av kvartsglas . I kemiska reaktorer under starkt sura miljöer kan kvartsobservationsfönster motstå olika starka sura erosioner utom fluorvätesyra under lång tid. Korrosiva mediumtillförselrörledningar, omrörarstavar och andra komponenter i kemisk produktion är också ofta gjorda av kvartsglas.

Det är särskilt värt att nämna att i kemiska reaktionsexperiment med hög temperatur och högt tryck kan kvartsreaktionskärl motstå hårda temperaturer och kemiska miljöer samtidigt, vilket ger pålitliga experimentella förhållanden för forskare. Kvartsglas presterar mycket bättre än vanligt glas och de flesta metallmaterial i dessa applikationer.

Under de senaste åren har kvartsglasmaterial använts alltmer inom det medicinska och hälsovårdsområdet. När det gäller medicinsk utrustning används kvartsstavar för att tillverka optiska transmissionskomponenter av endoskop, ljusledande element i laserkirurgiska instrument, etc. Dess utmärkta biokompatibilitet säkerställer att dessa instrument säkert kan användas för mänsklig behandling.

I ultraviolett desinfektionsutrustning används högtransmitterande kvartsglasstavar som lampmaterial för att maximera steriliseringseffektiviteten. Dessutom, i vissa medicinska precisionstestinstrument säkerställer optiska kvartselement testresultatens noggrannhet.

Efterfrågan på stavar av kvartsglas inom området vetenskaplig forskning och experiment är också stark. I högenergifysikexperiment används kvartsstavar som viktiga komponenter i Cherenkov-strålningsdetektorer. Inom materialvetenskaplig forskning ger kvartsdeglar och reaktionskärl en idealisk miljö för materialsyntes vid hög temperatur.

Inom rymdvetenskapen gör kvartsglasets strålningsmotstånd det till det föredragna materialet för optiska system för rymdfarkoster. Dessa avancerade vetenskapliga forskningsapplikationer har ofta extrema krav på materialegenskaper, och kvartsglasstavar kan alltid utföra uppgiften utmärkt.