Kolm kõrge puhtusastmega kvartsklaasi valmistamismeetodit

Looduslik ränidioksiidklaas

Esimene kategooria hõlmab looduslike materjalide sulatamist kvarts kristallide või ränidioksiidi abil loodusliku kvartsklaasi tootmiseks, mida saab edasi jagada meetoditeks, näiteks elektriline sulatamine, gaasi põletamine ja plasmasulatus, mis põhinevad soojusallikatel ja protsessidel.

Elektrilise sulatamise meetodi puhul sulatatakse tiiglis olevad pulbrilised kvartsist toorained elektrilise kuumutamise (sh takistuskuumutamise ja elektromagnetilise induktsioonkuumutamise) abil, millele järgneb kiire jahutamise klaasistamisprotsess, et moodustada kvartsklaas14. Sulamise ajal läbib kvartskristallstruktuur faasisiirdeid β-kvartsist α-kvartsiks ja seejärel α-kristobaliidiks (millega kaasneb amorfse faasi moodustumine), kuni saavutatakse umbes 1723 °C, kus hakkab moodustuma kvartsisula.

Kõrge puhtusastmega kvartsliiv

Kvartsipulbri sulatusprotsess viiakse tavaliselt läbi kõrgvaakumis (0.1–10 Pa), et eemaldada protsessi käigus eralduv gaas ja vähendada kvartsklaasi mullide sisaldust. Elektrilise sulatamise meetodil valmistatud kvartsklaasi kvaliteet sõltub peamiselt tooraine puhtusest. Kvartsi tooraines on metallilisi lisandeid tavaliselt raske eemaldada, seega on sulatatud kvartsklaasis metallilisi lisandeid üldiselt palju ja neid on raske kontrollida. Kvartsipulbri niiskust saab tõhusalt eemaldada kuivatamise teel, seega saab elektrilise sulatamise meetodil valmistada madala hüdroksüülrühma sisaldusega kvartsklaasi.

Sünteetiline kvartsklaas

Teine kategooria hõlmab sünteesimist kvartsklaas keemiliste reaktsioonide kaudu, kasutades toorainena räni sisaldavaid ühendeid (nt halosilaane, hüdrosilaane ja organosilikone), mida nimetatakse ‌sünteetiliseks kvartsklaasiks‌. Reaktsioonipõhimõtete põhjal jagatakse see kategooria edasi kolmeks meetodiks.

1) Plasma keemiline aurustamine-sadestamine (PCVD): Räni sisaldavad ühendid oksüdeeruvad veevabas keskkonnas termiliselt, moodustades SiO₂.

2) Leekhüdrolüüssadestamine (FHD): Räni sisaldavad ühendid hüdrolüüsivad (sageli kaasneb sellega oksüdeerumine) vesinik-hapniku leegis.

3) Sool-geel meetod: Räni sisaldavad ühendid hüdrolüüsivad vesikeskkonnas.

Nende hulgas on FHD kõige laialdasemalt kasutusele võetud ja küpsem tööstustehnoloogia, mis hõlmab nii otsest kui ka kaudset sünteesi.

● ‌Otsene süntees‌: Kõrgel temperatuuril hüdrolüüsil tekivad sulanud SiO₂ osakesed, mis sadestatakse otse aluspinnale ja jahutatakse kvartsklaasi moodustamiseks.

● ‌Kaudne süntees‌: Madalatemperatuuriline hüdrolüüs tekitab tahmalaadseid SiO₂ osakesi, moodustades poorse SiO₂ keha. See poorne keha dehüdreeritakse, legeeritakse, paagutatakse ja jahutatakse, mille tulemuseks on kvartsklaas.

Tööstuslikes rakendustes on tavaliselt kasutatav otsese sünteesi meetod keemiline aurustamine-sadestamine (CVD). Kaudsete sünteesimeetodite hulka kuuluvad CVD-l põhinevad modifitseeritud lähenemisviisid, näiteks kaheastmeline CVD, aursadestamine aksiaalfaasis (VAD) ja välimine aurustamine-sadestamine (OVD).

Need meetodid erinevad valmistusprotsesside ja lõpptoodete poolest. Näiteks CVD-d ja kaheastmelist CVD-d kasutatakse peamiselt suurte kvartsklaasist valuplokkide tootmiseks, samas kui VAD-d ja OVD-d kasutatakse peamiselt kvartsklaasist optiliste kiudude toorikute valmistamiseks. Vaatamata neile erinevustele põhinevad kõik need meetodid põhimõtteliselt leekhüdrolüüssadestamise (FHD) põhimõtetel.

Kvartsklaasist valuplokk

Optilise kiu toorik

Termilise modifitseerimise meetod

Praktilistes tööstuslikes rakendustes on kvartsklaasist toodete kujunõuded kriitilise tähtsusega. Näiteks pooljuhtide tööstuses kasutatakse laialdaselt kõrge puhtusastmega kvartsklaasist torusid ja kvartsklaasist vardaid. Seetõttu on toote ümberkujundamine (reformimine) kvartsklaasi tootmisel olulise tähtsusega. Praegu on termiline reformimismeetod peamine tööstuslik lähenemisviis modifitseerimiseks. kvartsklaas tooted. See hõlmab kvartsklaasi kuumutamist pehmenemistemperatuurini ja seejärel selle kuju muutmist vastavalt praktilistele vajadustele.

Sünteetilisest kvartsist klaasist toru

Temperatuuri tõustes kvartsklaas Eelvorm pehmeneb, võimaldades seda tõmbeseadme abil allapoole tõmmata, moodustades kvartsklaasist vardaid või torusid. Ahju temperatuuri ja tõmbamiskiiruse reguleerimise abil saab toota erineva läbimõõduga vardasid või torusid. Elektromagnetilise induktsioonkuumutusahju mähise paigutus ja ahju konstruktsioon mõjutavad oluliselt ahju temperatuuri jaotusvälja. Praktilises tootmises on selle temperatuurivälja range kontroll oluline kvartsklaasist toodete kvaliteedi tagamiseks.

Kvartsklaasist vardad ja kvartsklaasist torud

(Pildil olevad osad: 1-kvartsklaasist emapulk; 2-kütteelement; 3-kvartsklaasist pulk; 4-kvartsklaasist ematoru; 5-induktsioonimähis; 6-kvartsklaasist toru; 7-traktor)