Tre framställningsmetoder för kvartsglas med hög renhet

Naturligt kiselglas

Den första kategorin omfattar smältning av naturliga kvarts kristaller eller kiseldioxid för att producera naturligt kvartsglas, vilket kan delas in ytterligare i metoder som elektrisk smältning, gasförbränning och plasmasmältning baserat på värmekällor och processer.

I den elektriska smältmetoden smälts pulveriserade kvartsråmaterial i en degel via elektrisk uppvärmning (inklusive motståndsuppvärmning och elektromagnetisk induktionsuppvärmning), följt av en snabb kylningsförglasningsprocess för att bilda kvartsglas14. Under smältningen genomgår kvartskristallstrukturen fasövergångar från β-kvarts till α-kvarts, sedan till α-kristobalit (åtföljt av bildandet av en amorf fas), tills den når cirka 1723 °C, där kvartssmältan börjar bildas.

Högren kvartsand

Smältprocessen för kvartspulver utförs vanligtvis i en högvakuummiljö (0.1~10 Pa) för att avlägsna gasen som frigörs i processen och minska bubbelhalten i kvartsglaset. Kvaliteten på kvartsglas som framställs med elektrisk smältning beror huvudsakligen på råmaterialens renhet. Metallföroreningar i kvartsråmaterial är vanligtvis svåra att avlägsna, så metallföroreningarna i smält kvartsglas är generellt höga och svåra att kontrollera. Fukthalten i kvartspulver kan effektivt avlägsnas genom torkning, så kvartsglas med låg hydroxylhalt kan framställas med elektrisk smältning.

Syntetiskt kvartsglas

Den andra kategorin handlar om att syntetisera kvartsglas genom kemiska reaktioner med kiselhaltiga föreningar (t.ex. halosilaner, hydrosilaner och organosilikoner) som råmaterial, kallat "syntetiskt kvartsglas". Baserat på reaktionsprinciper är denna kategori vidare indelad i tre metoder.

1) Plasmakemisk ångdeponering (PCVD): Kiselhaltiga föreningar genomgår termisk oxidation i en vattenfri miljö för att generera SiO₂.

2) Flamhydrolysavsättning (FHD): Kiselhaltiga föreningar genomgår hydrolys (ofta åtföljd av oxidation) i en väte-syre-flamma.

3) Sol-Gel-metoden: Kiselhaltiga föreningar genomgår hydrolys i ett vattenhaltigt medium.

Bland dessa är FHD den mest använda och mogna industriella tekniken, som omfattar direkt syntes och indirekt syntes.

● Direktsyntes: Hydrolys vid hög temperatur producerar smälta SiO₂-partiklar, som avsätts direkt på ett substrat och kyls ner för att bilda kvartsglas.

● ‌Indirekt syntes‌: Lågtemperaturhydrolys genererar sotliknande SiO₂-partiklar, som bildar en porös SiO₂-kropp. Denna porösa kropp genomgår dehydrering, dopning, sintring och kylning för att ge kvartsglas.

I industriella tillämpningar är den vanligt förekommande direkta syntesmetoden kemisk ångdeponering (CVD). Indirekta syntesmetoder inkluderar modifierade metoder baserade på CVD, såsom tvåstegs-CVD, axial ångfasdeponering (VAD) och utvändig ångdeponering (OVD).

Dessa metoder skiljer sig åt i beredningsprocesser och slutprodukter. Till exempel används CVD och tvåstegs-CVD främst för att producera stora kvartsglastackor, medan VAD och OVD huvudsakligen används för tillverkning av kvartsglasfiberförformer. Trots dessa skillnader är alla dessa tekniker grundläggande förankrade i principerna för flamhydrolysavsättning (FHD).

Kvartsglasgöt

Optisk fiberpreform

Termisk modifieringsmetod

I praktiska industriella tillämpningar är formkraven för kvartsglasprodukter avgörande. Till exempel används kvartsglasrör med hög renhet och kvartsglasstavar i stor utsträckning inom halvledarindustrin. Som ett resultat har produktomformning (reformering) stor betydelse vid tillverkning av kvartsglas. För närvarande är termisk reformeringsmetod den primära industriella metoden för att modifiera kvartsglas produkter. Detta innebär att kvartsglaset värms upp till mjukningspunkten och sedan ändrar dess form efter praktiska behov.

Syntetiskt kvartsglasrör

Allt eftersom temperaturen ökar, kvartsglas Förformen mjuknar, vilket gör att den kan dras nedåt av en draganordning för att forma kvartsglasstavar eller -rör. Genom att justera ugnstemperaturen och draghastigheten kan stavar eller rör med varierande diametrar produceras. Spolarrangemanget och ugnsstrukturen hos den elektromagnetiska induktionsvärmeugnen påverkar avsevärt temperaturfördelningsfältet i ugnen. I praktisk produktion är strikt kontroll av detta temperaturfält avgörande för att säkerställa kvaliteten på kvartsglasprodukterna.

Stavar av kvartsglas och rör av kvartsglas

(Delarna på bilden: 1-moderstav i kvartsglas; 2-värmeelement; 3-kvartsglasstav; 4-moderrör i kvartsglas; 5-induktionsspole; 6-kvartsglasrör; 7-traktor)