Trei metode de preparare a sticlei de cuarț de înaltă puritate

Sticlă de silice naturală

Prima categorie implică topirea materialelor naturale cuarţ cristale sau silice pentru a produce sticlă de cuarț naturală, care poate fi subdivizată în continuare în metode precum topirea electrică, arderea gazelor și topirea cu plasmă, bazate pe surse și procese de căldură.

În metoda de topire electrică, materiile prime de cuarț sub formă de pulbere dintr-un creuzet sunt topite prin încălzire electrică (inclusiv încălzire prin rezistență și încălzire prin inducție electromagnetică), urmată de un proces rapid de vitrificare prin răcire pentru a forma sticlă de cuarț14. În timpul topirii, structura cristalină de cuarț trece prin tranziții de fază de la β-cuarț la α-cuarț, apoi la α-cristobalit (însoțită de formarea unei faze amorfe), până la atingerea a aproximativ 1723°C, unde începe să se formeze topitura de cuarț.

Nisip de cuarț de înaltă puritate

Procesul de topire a pulberii de cuarț se desfășoară de obicei într-un mediu cu vid înalt (0.1~10 Pa) pentru a îndepărta gazul eliberat în proces și a reduce conținutul de bule din sticla de cuarț. Calitatea sticlei de cuarț preparate prin metoda de topire electrică depinde în principal de puritatea materiilor prime. Impuritățile metalice din materiile prime de cuarț sunt de obicei dificil de îndepărtat, astfel încât impuritățile metalice din sticla de cuarț topită sunt în general ridicate și dificil de controlat. Umiditatea din pulberea de cuarț poate fi îndepărtată eficient prin uscare, astfel încât sticla de cuarț cu un conținut scăzut de hidroxil poate fi preparată prin metoda de topire electrică.

Sticlă de cuarț sintetică

A doua categorie implică sintetizarea pahar de cuarț prin reacții chimice utilizând compuși care conțin siliciu (de exemplu, halosilani, hidrosilani și organosiliconi) ca materii prime, denumite „sticlă de cuarț sintetică”. Pe baza principiilor de reacție, această categorie este împărțită în continuare în trei metode.

1) Depunere chimică de vapori cu plasmă (PCVD): Compușii care conțin siliciu sunt supuși oxidării termice într-un mediu anhidru pentru a genera SiO₂.

2) Depunere prin hidroliză în flacără (FHD): Compușii care conțin siliciu sunt supuși hidrolizei (adesea însoțită de oxidare) într-o flacără hidrogen-oxigen.

3)‌Metoda Sol-Gel‌: Compușii care conțin siliciu sunt supuși hidrolizei într-un mediu apos.

Printre acestea, FHD este tehnologia industrială cea mai adoptată și matură, cuprinzând sinteza directă și sinteza indirectă.

● Sinteză directă: Hidroliza la temperatură înaltă produce particule de SiO₂ topite, care sunt depuse direct pe un substrat și răcite pentru a forma sticlă de cuarț.

● Sinteză indirectă: Hidroliza la temperatură scăzută generează particule de SiO₂ asemănătoare funinginii, formând un corp poros de SiO₂. Acest corp poros este supus deshidratării, dopării, sinterizării și răcirii pentru a produce sticlă de cuarț.

În aplicațiile industriale, metoda de sinteză directă utilizată în mod obișnuit este depunerea chimică în fază de vapori (CVD). Metodele de sinteză indirectă includ abordări modificate bazate pe CVD, cum ar fi CVD în doi pași, depunerea axială în fază de vapori (VAD) și depunerea externă în fază de vapori (OVD).

Aceste metode diferă în ceea ce privește procesele de preparare și produsele finale. De exemplu, CVD și CVD în doi pași sunt utilizate în principal pentru a produce lingouri de sticlă de cuarț de dimensiuni mari, în timp ce VAD și OVD sunt utilizate în principal pentru fabricarea preformelor din fibră optică din sticlă de cuarț. În ciuda acestor distincții, toate aceste tehnici sunt fundamental înrădăcinate în principiile depunerii prin hidroliză în flacără (FHD).

Lingou de sticlă de cuarț

Preformă de fibră optică

Metoda de modificare termică

În aplicațiile industriale practice, cerințele de formă ale produselor din sticlă de cuarț sunt critice. De exemplu, tuburile și tijele de sticlă de cuarț de înaltă puritate sunt utilizate pe scară largă în industria semiconductorilor. Prin urmare, remodelarea produsului (reformarea) are o importanță semnificativă în fabricarea sticlei de cuarț. În prezent, metoda de reformare termică este principala abordare industrială pentru modificarea... pahar de cuarț produse. Aceasta implică încălzirea sticlei de cuarț până la punctul său de înmuiere și apoi modificarea formei acesteia în funcție de nevoile practice.

Tub de sticlă de cuarț sintetic

Pe măsură ce temperatura crește, pahar de cuarț Preforma se înmoaie, permițând acesteia să fie trasă în jos de către un dispozitiv de tragere pentru a forma tije sau tuburi din sticlă de cuarț. Prin reglarea temperaturii cuptorului și a vitezei de tragere, se pot produce tije sau tuburi cu diametre variabile. Aranjamentul bobinei și structura cuptorului de încălzire prin inducție electromagnetică influențează semnificativ câmpul de distribuție a temperaturii din interiorul cuptorului. În producția practică, controlul strict al acestui câmp de temperatură este esențial pentru a asigura calitatea produselor din sticlă de cuarț.

Tije de sticlă de cuarț și tuburi de sticlă de cuarț

(Părțile din imagine: 1-tijă mamă din sticlă de cuarț; 2-element de încălzire; 3-tijă din sticlă de cuarț; 4-tub mamă din sticlă de cuarț; 5-bobină de inducție; 6-tub din sticlă de cuarț; 7-tractor)