Hva er de viktigste kjemiske komponentene i kvartsglassstaver?

Den viktigste kjemiske komponenten av stenger av kvartsglass er silisiumdioksid (SiO₂), hvis renhet vanligvis er over 99,9 %, og kvartsglass med høy renhet kan til og med nå 99,9999 % (6N-grad).

1. Molekylstruktur av silisiumdioksid (SiO₂)
Den grunnleggende grunnen til at kvartsglassstenger har utmerkede fysiske og kjemiske egenskaper er den spesielle molekylære strukturen til silisiumdioksid. I motsetning til vanlig glass, presenterer mikrostrukturen til kvartsglass en svært stabil nettverkslignende egenskap, som direkte bestemmer de termiske, optiske og mekaniske egenskapene til materialet.

På atomnivå er den grunnleggende strukturelle enheten til silisiumdioksid silisium-oksygen-tetraederet. I denne strukturen er et silisiumatom plassert i sentrum, og fire oksygenatomer er jevnt fordelt ved hjørnene til tetraederet. Hvert oksygenatom danner en sterk kovalent binding med det sentrale silisiumatomet. Denne bindingsmetoden har ekstremt høy bindingsenergi, noe som gjør hele strukturen ekstremt stabil.

Det er spesielt bemerkelsesverdig at hvert oksygenatom vanligvis danner en bro med to silisiumatomer, og forbinder dermed tilstøtende silisium-oksygentetraeder for å danne en kontinuerlig tredimensjonal nettverksstruktur. Denne unike tilkoblingsmodusen gir kvartsglass med utmerket mekanisk styrke og kjemisk stabilitet.

Den mest bemerkelsesverdige strukturelle egenskapen til kvartsglass er dens amorfe natur. Selv om arrangementet av silisium-oksygen-tetraedere i det lokale området forblir ryddig, er det romlige arrangementet av disse tetraederne fullstendig uordnet fra en makroskopisk skala. Denne strukturelle egenskapen gjør at kvartsglass er isotropisk i fysiske egenskaper, det vil si at dets egenskaper ikke endres med måleretningen.

Sammenlignet med krystallinsk kvarts fører den amorfe strukturen til at kvartsglass ikke har noe klart smeltepunkt, men mykner gradvis under oppvarming, noe som er av stor betydning i praktiske applikasjoner.

Sammenligning av kvartsglass med krystallinsk kvarts kan tydeligere forstå dets strukturelle egenskaper. Silisium-oksygen-tetrahedronene i krystallinsk kvarts er ordnet i henhold til strenge sekskantede krystallsystemregler for å danne en lang rekkevidde ordnet krystallstruktur. Dette ordnede arrangementet gjør at krystallinsk kvarts viser anisotropi, slik som det berømte dobbeltbrytningsfenomenet. Imidlertid mangler kvartsglass denne rekkefølgen og produserer ikke dobbeltbrytning, noe som gir det en unik fordel i optiske applikasjoner.

Den spesielle strukturen til silika bestemmer direkte nøkkelegenskapene til kvartsglass. For det første gjør den kontinuerlige tredimensjonale nettverksstrukturen materialet ekstremt gjennomsiktig, og det kan opprettholde utmerket overføring fra ultrafiolette til infrarøde bånd. For det andre kan nettverket som består av sterke kovalente bindinger effektivt motstå dimensjonsendringene forårsaket av temperaturendringer, noe som gir materialet en ekstremt lav termisk ekspansjonskoeffisient. Videre gjør de stabile silisium-oksygenbindingene kvartsglass inert overfor de fleste kjemikalier og vil kun bli korrodert av flussyre og sterke alkalier.

I praktiske applikasjoner kan selv spormengder av urenhetselementer ha en betydelig effekt på nettverksstrukturen til silika. For eksempel, når aluminiumioner erstatter silisiumioner og kommer inn i nettverket, vil det oppstå strukturelle defekter, noe som resulterer i en reduksjon i den ultrafiolette transmittansen til materialet. Tilsvarende vil introduksjonen av alkalimetallioner avbryte silisium-oksygenbindingsnettverket og redusere materialets motstand mot høye temperaturer betydelig. Derfor, i høyytelsesapplikasjoner, må renheten til råvarene kontrolleres strengt for å sikre integriteten til silikanettverksstrukturen.

2. Forskjellen mellom kvartsglassstav og andre glassmaterialer
Fra den grunnleggende sammensetningen av materialet, stav i kvartsglass er nesten utelukkende sammensatt av ren silisiumdioksid. Denne ekstremt høye renheten gjør at den danner et kontinuerlig og ensartet tredimensjonalt nettverk i mikrostrukturen. I motsetning til dette er vanlig glass som soda-lime glass mye mer kompleks i sammensetning, og inneholder en stor mengde modifiserte oksider i tillegg til silisiumdioksid.

Selv om disse tilsatte komponentene forbedrer prosessytelsen til vanlig glass, endrer de også fundamentalt materialets vesentlige egenskaper. Borosilikatglass, som en annen vanlig type, har en sammensetning mellom de to, og en relativt balansert ytelse oppnås ved å tilsette boroksid.

Når det gjelder termiske egenskaper, viser kvartsglassstaver utmerket stabilitet. På grunn av sin rene silisiumdioksidstruktur og sterke silisium-oksygenbindingskraft, tåler kvartsglass ekstremt høye temperaturer uten å mykne og deformere. Denne egenskapen gjør den til et ideelt valg for høytemperatureksperimenter og industrielle applikasjoner.

Vanlig glass begynner å myke ved relativt lave temperaturer, noe som sterkt begrenser bruken i høytemperaturmiljøer. Selv om borosilikatglass har forbedret varmebestandigheten til en viss grad, kan det fortsatt ikke nå nivået av kvartsglass.

Quartz glass stenger har ekstremt utmerkede lystransmisjonsegenskaper på grunn av sin svært rene sammensetning og ensartede struktur. Det kan ikke bare overføre synlig lys, men også la ultrafiolette og infrarøde stråler passere jevnt. Denne bredbånds lysoverføringsevnen er vanskelig å oppnå for andre glassmaterialer.

Vanlig glass inneholder ulike metallioner og urenheter, som har en veldig tydelig blokkerende effekt på ultrafiolette stråler, noe som gjør det helt ute av stand til å erstatte kvartsglass i applikasjoner som krever ultrafiolett transmisjon. Selv om de optiske egenskapene til borosilikatglass er bedre enn vanlig glass, er lystransmittansen i det ultrafiolette området fortsatt lavere enn for kvartsglass.

Når det gjelder kjemisk stabilitet, yter kvartsglassstaver også enestående. Den har sterk motstand mot de fleste sure stoffer og vil kun bli korrodert av noen få svært etsende stoffer som flussyre. Denne utmerkede korrosjonsbestandigheten gjør den mye brukt i kjemisk industri. Den kjemiske stabiliteten til vanlig glass er relativt dårlig, spesielt i alkaliske miljøer. Selv om den kjemiske motstanden til borosilikatglass er forbedret, er det fortsatt ikke sammenlignbart med kvartsglass.

Fra et mikroskopisk perspektiv er en annen viktig egenskap ved kvartsglass dens ekstremt lave termiske ekspansjonskoeffisient. Dette gjør at størrelsen på kvartsglass nesten ikke endres nevneverdig når temperaturen endres. Denne egenskapen gjør den uerstattelig i optiske presisjonsinstrumenter og miljøer med drastiske temperaturendringer. Vanlig glass har mye større termisk ekspansjon, noe som kan forårsake stress og til og med sprekker når temperaturen svinger. Borosilikatglass reduserer termisk ekspansjon gjennom en spesiell sammensetningsformel, men det fungerer fortsatt ikke like bra som kvartsglass.

I faktiske bruksscenarier bestemmer disse ytelsesforskjellene direkte de aktuelle feltene for forskjellige glassmaterialer. Kvartsglassstenger er mye brukt i avanserte felt som halvlederproduksjon, presisjonsoptikk og høytemperatureksperimenter på grunn av deres utmerkede omfattende ytelse.

Vanlig glass brukes hovedsakelig i daglige nødvendigheter og byggefelt. Fordelene er lave kostnader og enkel behandling. Borosilikatglass har funnet sin egen markedsposisjon og brukes i laboratorieredskaper og enkelte spesiallamper.

3. Produksjonsprosess for kvartsglassstang
Produksjonen av stenger av kvartsglass er en kompleks prosess som integrerer materialvitenskap, høytemperaturteknologi og presisjonsbehandling. Kjernen ligger i hvordan man konverterer silikaråvarer til stavformede produkter med spesifikke ytelses- og størrelseskrav. Hele produksjonsprosessen kan deles inn i fire hovedtrinn: råvarebehandling, smeltestøping, tegnestøping og etterbehandling. Hvert trinn krever streng kontroll for å sikre kvaliteten på sluttproduktet.

(1). Råvarepreparering og forbehandling
Det første leddet i produksjon av kvartsglass er valg og rensing av råvarer. I henhold til produktkvalitetskravene kan naturlig kvartssand eller syntetisk silika velges som råmateriale. For kvartsstaver med høye krav til renhet brukes vanligvis syntetisk silika fremstilt ved kjemisk dampavsetning, og renheten kan nå mer enn 99,9999%.

Råvarene må gjennomgå flere renseprosesser før de går inn i smelteprosessen: Først brukes beising for å fjerne metallurenheter, deretter utføres høytemperaturkloreringsbehandling for videre rensing, og til slutt brukes presisjonsscreening for å sikre jevn partikkelstørrelse. Behandlingskvaliteten på dette stadiet påvirker direkte de optiske egenskapene og den termiske stabiliteten til sluttproduktet.

(2). Smelteprosess ved høy temperatur
Smelting er kjernen i produksjonen av kvartsglass. For tiden brukes tre smelteteknologier hovedsakelig i industrien:

Elektrisk smelting er den mest tradisjonelle produksjonsprosessen. I et vakuum- eller inertgassbeskyttelsesmiljø smeltes kvartssanden av en høytemperaturbue generert av en grafittelektrode. Denne metoden har relativt lav utstyrsinvestering og er egnet for produksjon av store kvartsstaver, men en liten mengde karbonurenheter kan forbli i produktet.

Gassraffineringsmetoden bruker en hydrogen-oksygenflamme som varmekilde, og temperaturen kan nå over 2000°C. Kvartssand med høy renhet smeltes i hydrogen-oksygenflammen, og ekstremt høyrent kvartsglass kan oppnås ved nøyaktig å kontrollere flammetemperaturen og smeltetiden. Denne metoden er spesielt egnet for produksjon av optisk kvalitet kvartsstaver, men energiforbruket er høyt og produksjonseffektiviteten er relativt lav.

Plasmasmelting er en avansert teknologi utviklet de siste årene. Den bruker en plasmabrenner for å generere ultrahøy temperatur (opptil 3000°C) for å smelte råvarene umiddelbart. Fordelen med denne metoden er at den kan produsere kvartsglass med ultrahøy renhet, som er nesten fritt for hydroksyl og andre urenheter, og er spesielt egnet for bruk av halvledere og optiske fibre, men utstyret er komplekst og kostbart.

(3). Støpe- og tegneprosess
Det smeltede kvartsglasset må støpes nøyaktig for å få stenger som oppfyller kravene. Det er to hovedformemetoder:

Formstøpemetoden sprøyter smeltet kvarts inn i en spesiell form og oppnår ønsket form ved nøyaktig å kontrollere kjølehastigheten. Denne metoden er egnet for å produsere kvartsstaver med stor diameter, men det kan være spenningskonsentrasjon inne i produktet.

Den kontinuerlige tegnemetoden er den mest brukte produksjonsprosessen. Den smeltede kvartsen strømmer ut av en spesiell lekkasjeplate og trekkes med konstant hastighet gjennom et nøyaktig kontrollert trekksystem. Ved å justere tegnehastigheten og temperaturen kan ulike spesifikasjoner av produkter med diametre fra noen få millimeter til hundrevis av millimeter oppnås. Temperaturgradienten og kjølehastigheten må kontrolleres nøyaktig under tegneprosessen for å sikre dimensjonsnøyaktigheten og den indre kvaliteten til stangen.

(4). Presisjonsglødingsbehandling
Den nydannede kvartsstaven må gjennomgå en streng utglødningsprosess for å eliminere indre stress. Glødeprosessen utføres vanligvis i en spesiell glødeovn, med temperaturen kontrollert mellom 1100-1200 ℃, og isolasjonstiden avhenger av størrelsen på stangen. Nøkkelen er å strengt kontrollere kjølehastigheten. Vanligvis er kjølemetoden segmentert. Det kan ta flere dager fra høytemperatursonen til lavtemperatursonen. Perfekt gløding kan forbedre den termiske stabiliteten og den mekaniske styrken til kvartsstaven betydelig.

(5). Etterbehandling og etterbehandling
Den glødede kvartsstaven må også gjennomgå flere presisjonsmaskineringsprosesser:

Maskinering inkluderer sylindrisk sliping, endeflatesliping, etc. for å sikre dimensjonsnøyaktighet og overflatefinish. For kvartsstenger med spesielle krav kan det være nødvendig med kompleks bearbeiding som boring og sporing.

Overflatebehandling er et nøkkeltrinn for å forbedre ytelsen, inkludert prosesser som brannpolering og kjemisk etsing. Brannpolering bruker en høytemperaturflamme for å mikrosmelte overflaten for å oppnå en optisk glatt overflate; kjemisk etsing brukes til å fjerne prosessskadelaget og forbedre styrken.

Spesielle behandlinger kan omfatte: UV-bestråling for å forbedre optiske egenskaper, høytemperatur varmebehandling for å redusere hydroksylinnholdet, eller overflatebelegg for å forbedre spesifikke funksjoner i henhold til applikasjonskrav.

6. Kvalitetskontroll og kontroll
Den ferdige kvartsstangen må gjennom en rekke strenge kvalitetskontrollprosesser før den forlater fabrikken. Disse inspeksjonselementene dekker flere nøkkelytelsesindikatorer for materialet, for eksempel optikk, fysikk, termisk og kjemi. I den optiske ytelsestesten vil teknikere bruke et presisjonsspektrofotometer for å måle transmittansegenskapene til kvartsstaven ved forskjellige bølgelengder, med spesiell oppmerksomhet til transmittansytelsen i de ultrafiolette og infrarøde båndene.

Samtidig vil laserinterferometre og annet utstyr bli brukt for å oppdage jevnheten til brytningsindeksen for å sikre at den optiske ytelsen til hele kvartsstangen oppfyller designkravene. Disse optiske testdataene er avgjørende for å avgjøre om kvartsstav er egnet for optiske presisjonssystemer.

Deteksjon av geometrisk dimensjonsnøyaktighet er den grunnleggende koblingen for kvalitetskontroll. Inspektørene vil bruke høypresisjons skyvelære, mikrometer og andre måleverktøy for å måle de grunnleggende dimensjonene til kvartsstaven, som diameter, lengde og rundhet. For applikasjoner med høy etterspørsel kan en tre-koordinat målemaskin også brukes for mer presis dimensjonsdeteksjon for å sikre at den geometriske toleransen til kvartsstaven kontrolleres innenfor det tillatte området. Denne testen er direkte relatert til samsvarsnøyaktigheten til kvartsstaven i den påfølgende monterings- og bruksprosessen.

Intern defektinspeksjon utføres hovedsakelig av profesjonelt testutstyr. Vanlige metoder inkluderer observasjon av optisk mikroskop, røntgenfeildeteksjon og ultralydtesting. Disse deteksjonsmetodene kan nøyaktig identifisere defektene som bobler, urenheter, sprekker osv. som kan eksistere inne i kvartsstaven, og bestemme produktkvaliteten i henhold til størrelsen, mengden og fordelingen av defektene. Spesielt for optiske og halvlederkvalitets kvartsstaver er kontrollstandardene for interne defekter strengere, og krever vanligvis ingen synlige defekter i det hele tatt.

Termisk ytelsestesting inkluderer hovedsakelig to viktige elementer: termisk ekspansjonskoeffisienttest og termisk sjokkmotstandstest. Den termiske ekspansjonskoeffisienttesten bruker en termomekanisk analysator for å måle dimensjonsendringene til kvartsstaven ved forskjellige temperaturer. Den termiske støtmotstandstesten er å raskt bytte kvartsstaven mellom høy- og lavtemperaturmiljøer for å observere sprekkmotstanden. Disse termiske ytelsesdataene er av stor referanseverdi for å evaluere påliteligheten til kvartsstaver i temperaturforandringer.

Kjemisk stabilitetstesting evaluerer hovedsakelig toleransen til kvartsstaver i ulike kjemiske miljøer. Vanlige testmetoder inkluderer nedsenking av kvartsstavprøver i syre- og alkaliløsninger med forskjellige konsentrasjoner, observasjon av overflateendringer og måling av vektendringer og endringer i overflateruhet før og etter nedsenking.

Blant dem er testen av motstand mot flussyre spesielt viktig, fordi kvartsglass er spesielt utsatt for korrosjon i et flussyremiljø. Gjennom disse omfattende kvalitetstestene kan det sikres at hver kvartsstav som sendes fra fabrikken oppfyller strenge kvalitetsstandarder og oppfyller de spesielle kravene til forskjellige bruksscenarier.

7. Bruksfelt for stenger av kvartsglass
Innen optisk ingeniørfag spiller kvartsglassstenger en viktig rolle. På grunn av sin utmerkede UV-synlig-infrarøde fullbånds lystransmittans, er det et ideelt materiale for produksjon av optiske komponenter med høy presisjon. I laserteknologiapplikasjoner brukes ofte kvartsstaver som resonanshulromsmedier og optiske vinduer for lasere, spesielt i høyeffekt CO2-lasere, der kvartsstaver tåler ekstrem sterk laserenergi uten skade.

I optiske fiberkommunikasjonssystemer trekkes ultrahøy renhet kvartsglassstaver nøyaktig for å danne optiske fiberpreformer, som er kjerneråmaterialene for produksjon av optiske kommunikasjonsfibre. Ved produksjon av optiske instrumenter blir kvartsstaver bearbeidet til ulike linser, prismer og optiske vinduer, som er mye brukt i høypresisjons optisk utstyr som spektrometre og mikroskoper.

Halvlederindustrien er spesielt avhengig av kvartsglassstaver. Under produksjonsprosessen for wafer blir kvartsstaver laget i forskjellige former av waferbærere, diffusjonsrør og reaksjonskammerkomponenter. Disse komponentene må tåle høytemperaturmiljøet i halvlederproduksjonsprosessen, og må sikre at ingen forurensende urenheter blir introdusert.

I avansert ekstrem ultrafiolett (EUV) litografiteknologi har optiske komponenter laget av kvartsglass blitt nøkkelen til å oppnå litografinøyaktighet på nanonivå på grunn av deres ekstremt lave termiske ekspansjonskoeffisient og utmerkede optiske ensartethet. I tillegg er kvartsglassstenger også mye brukt i observasjonsvinduer, gassforsyningsrørledninger og andre deler av halvlederutstyr på grunn av deres kjemiske treghet.

Kjemisk industri utnytter korrosjonsbestandigheten til fullt ut stenger av kvartsglass . I kjemiske reaktorer under sterkt sure miljøer kan kvartsobservasjonsvinduer tåle ulike sterke syreerosjoner bortsett fra flussyre i lang tid. Korrosive medium leveringsrørledninger, rørestaver og andre komponenter i kjemisk produksjon er også ofte laget av kvartsglass.

Det er spesielt verdt å nevne at i kjemiske reaksjonseksperimenter med høy temperatur og høyt trykk kan kvartsreaksjonskar tåle tøffe temperaturer og kjemiske miljøer samtidig, og gir pålitelige eksperimentelle forhold for forskere. Kvartsglass yter langt bedre enn vanlig glass og de fleste metallmaterialer i disse bruksområdene.

De siste årene har kvartsglassmaterialer blitt brukt i økende grad innen det medisinske og helsemessige feltet. Når det gjelder medisinsk utstyr, brukes kvartsstaver til å produsere optiske transmisjonskomponenter av endoskoper, lysledende elementer i laserkirurgiske instrumenter, etc. Dens utmerkede biokompatibilitet sikrer at disse instrumentene trygt kan brukes til menneskelig behandling.

I ultrafiolett desinfeksjonsutstyr brukes høytransmitterende kvartsglassstaver som lampematerialer for å maksimere steriliseringseffektiviteten. I tillegg, i noen medisinske presisjonstestinstrumenter, sikrer optiske kvartselementer nøyaktigheten av testresultatene.

Etterspørselen etter stenger av kvartsglass innen vitenskapelig forskning og eksperimenter er også sterk. I høyenergifysikkeksperimenter brukes kvartsstaver som viktige komponenter i Cherenkov-strålingsdetektorer. I materialvitenskapelig forskning gir kvartsdigler og reaksjonskar et ideelt miljø for høytemperaturmaterialsyntese.

Innen romvitenskap gjør strålingsmotstanden til kvartsglass det til det foretrukne materialet for optiske systemer for romfartøy. Disse avanserte vitenskapelige forskningsapplikasjonene har ofte ekstreme krav til materialegenskaper, og kvartsglassstaver kan alltid utføre oppgaven utmerket.