Hvad er de vigtigste kemiske komponenter i kvartsglasstænger?

Den vigtigste kemiske bestanddel af kvartsglas stænger er siliciumdioxid (SiO₂), hvis renhed normalt er over 99,9 %, og kvartsglas med høj renhed kan endda nå 99,9999 % (6N-kvalitet).

1. Molekylær struktur af siliciumdioxid (SiO₂)
Den grundlæggende årsag til, at kvartsglasstænger har fremragende fysiske og kemiske egenskaber, er den særlige molekylære struktur af siliciumdioxid. I modsætning til almindeligt glas præsenterer mikrostrukturen af ​​kvartsglas en meget stabil netværkslignende egenskab, som direkte bestemmer materialets termiske, optiske og mekaniske egenskaber.

På atomniveau er den grundlæggende strukturelle enhed for siliciumdioxid silicium-ilt-tetraederet. I denne struktur er et siliciumatom placeret i midten, og fire oxygenatomer er jævnt fordelt ved tetraederens hjørner. Hvert oxygenatom danner en stærk kovalent binding med det centrale siliciumatom. Denne bindingsmetode har ekstrem høj bindingsenergi, hvilket gør hele strukturen ekstremt stabil.

Det er især bemærkelsesværdigt, at hvert oxygenatom sædvanligvis danner en bro med to siliciumatomer, og dermed forbinder tilstødende silicium-ilttetraeder for at danne en kontinuerlig tredimensionel netværksstruktur. Denne unikke forbindelsestilstand giver kvartsglas med fremragende mekanisk styrke og kemisk stabilitet.

Det mest bemærkelsesværdige strukturelle træk ved kvartsglas er dets amorfe natur. Selvom arrangementet af silicium-ilt-tetraedere i det lokale område forbliver velordnet, er det rumlige arrangement af disse tetraeder fuldstændig uordnet fra en makroskopisk skala. Denne strukturelle egenskab gør, at kvartsglas er isotropisk i fysiske egenskaber, det vil sige, at dets egenskaber ikke ændres med måleretningen.

Sammenlignet med krystallinsk kvarts bevirker den amorfe struktur, at kvartsglas ikke har noget klart smeltepunkt, men gradvist blødgøres under opvarmning, hvilket er af stor betydning i praktiske anvendelser.

Sammenligning af kvartsglas med krystallinsk kvarts kan tydeligere forstå dets strukturelle egenskaber. Silicium-ilt-tetrahedronerne i krystallinsk kvarts er arrangeret i henhold til strenge regler for sekskantet krystalsystem for at danne en langtrækkende ordnet krystalstruktur. Dette ordnede arrangement får krystallinsk kvarts til at udvise anisotropi, såsom det berømte dobbeltbrydningsfænomen. Imidlertid mangler kvartsglas denne lang rækkefølge og producerer ikke dobbeltbrydning, hvilket giver det en unik fordel i optiske applikationer.

Den specielle struktur af silica bestemmer direkte kvartsglasets nøgleegenskaber. For det første gør den kontinuerlige tredimensionelle netværksstruktur materialet ekstremt gennemsigtigt, og det kan opretholde fremragende transmission fra ultraviolette til infrarøde bånd. For det andet kan netværket bestående af stærke kovalente bindinger effektivt modstå de dimensionelle ændringer forårsaget af temperaturændringer, hvilket giver materialet en ekstremt lav termisk udvidelseskoefficient. Ydermere gør de stabile silicium-iltbindinger kvartsglas inert over for de fleste kemikalier og vil kun blive korroderet af flussyre og stærke baser.

I praktiske applikationer kan selv spormængder af urenhedselementer have en betydelig effekt på netværksstrukturen af ​​silica. For eksempel, når aluminiumioner erstatter siliciumioner og kommer ind i netværket, vil der opstå strukturelle defekter, hvilket resulterer i et fald i materialets ultraviolette transmittans. Tilsvarende vil introduktionen af ​​alkalimetalioner afbryde silicium-oxygenbindingsnetværket og reducere materialets modstandsdygtighed over for høje temperaturer betydeligt. Derfor skal renheden af ​​råmaterialerne i højtydende applikationer kontrolleres strengt for at sikre integriteten af ​​silicanetværksstrukturen.

2. Forskellen mellem kvartsglasstang og andre glasmaterialer
Fra den grundlæggende sammensætning af materialet, stav af kvartsglas er næsten udelukkende sammensat af ren siliciumdioxid. Denne ekstremt høje renhed gør, at den danner et kontinuerligt og ensartet tredimensionelt netværk i mikrostrukturen. I modsætning hertil er almindeligt glas såsom soda-kalkglas meget mere kompleks i sammensætning og indeholder en stor mængde modificerede oxider ud over siliciumdioxid.

Selvom disse tilføjede komponenter forbedrer bearbejdningsydelsen af ​​almindeligt glas, ændrer de også fundamentalt materialets væsentlige egenskaber. Borosilikatglas har som en anden almindelig type en sammensætning mellem de to, og en relativt afbalanceret ydeevne opnås ved at tilsætte boroxid.

Med hensyn til termiske egenskaber viser kvartsglasstænger fremragende stabilitet. På grund af sin rene siliciumdioxidstruktur og stærke silicium-iltbindingskraft kan kvartsglas modstå ekstremt høje temperaturer uden at blive blødgjort og deformeret. Denne egenskab gør den til et ideelt valg til højtemperatureksperimenter og industrielle applikationer.

Almindelig glas begynder at blive blødgjort ved relativt lave temperaturer, hvilket i høj grad begrænser dets anvendelse i højtemperaturmiljøer. Selvom borosilikatglas har forbedret varmebestandigheden til en vis grad, kan det stadig ikke nå niveauet af kvartsglas.

Kvartsglas stænger har ekstremt fremragende lystransmissionsegenskaber på grund af deres meget rene sammensætning og ensartede struktur. Det kan ikke kun transmittere synligt lys, men også tillade ultraviolette og infrarøde stråler at passere jævnt. Denne bredbånds-lystransmissionsevne er svær at opnå for andre glasmaterialer.

Almindelig glas indeholder forskellige metalioner og urenheder, som har en meget tydelig blokerende effekt på ultraviolette stråler, hvilket gør det helt ude af stand til at erstatte kvartsglas i applikationer, der kræver ultraviolet transmission. Selvom de optiske egenskaber af borosilikatglas er bedre end almindeligt glas, er dets lystransmission i det ultraviolette område stadig lavere end for kvartsglas.

Med hensyn til kemisk stabilitet yder kvartsglasstave sig også fremragende. Den har stærk modstandsdygtighed over for de fleste sure stoffer og vil kun blive tæret af få stærkt ætsende stoffer som flussyre. Denne fremragende korrosionsbestandighed gør den meget udbredt i den kemiske industri. Den kemiske stabilitet af almindeligt glas er relativt dårlig, især i alkaliske miljøer. Selvom borosilikatglass kemiske resistens er blevet forbedret, er det stadig ikke sammenligneligt med kvartsglas.

Fra et mikroskopisk perspektiv er en anden vigtig egenskab ved kvartsglas dets ekstremt lave termiske udvidelseskoefficient. Det betyder, at størrelsen af ​​kvartsglas næsten ikke ændrer sig væsentligt, når temperaturen ændres. Denne egenskab gør den uerstattelig i optiske præcisionsinstrumenter og miljøer med drastiske temperaturændringer. Almindelig glas har meget større termisk udvidelse, hvilket kan give stress og endda revner, når temperaturen svinger. Borosilikatglas reducerer termisk udvidelse gennem en speciel sammensætningsformel, men det fungerer stadig ikke så godt som kvartsglas.

I faktiske anvendelsesscenarier bestemmer disse ydeevneforskelle direkte de relevante felter for forskellige glasmaterialer. Kvartsglasstænger er meget udbredt i avancerede områder såsom halvlederfremstilling, præcisionsoptik og højtemperatureksperimenter på grund af deres fremragende omfattende ydeevne.

Almindelig glas bruges hovedsageligt i daglige fornødenheder og byggefelter. Dens fordele er lave omkostninger og nem behandling. Borosilikatglas har fundet sin egen markedsposition og bruges i laboratorieredskaber og nogle specielle lamper.

3. Kvartsglas stang produktionsproces
Produktionen af kvartsglas stænger er en kompleks proces, der integrerer materialevidenskab, højtemperaturteknologi og præcisionsbearbejdning. Kernen ligger i, hvordan man konverterer silicaråmaterialer til stavformede produkter med specifikke krav til ydeevne og størrelse. Hele produktionsprocessen kan opdeles i fire hovedfaser: råvarebearbejdning, smeltestøbning, tegnestøbning og efterbehandling. Hver fase kræver streng kontrol for at sikre kvaliteten af ​​det endelige produkt.

(1). Råvareforberedelse og forbehandling
Det første led i produktionen af ​​kvartsglas er udvælgelse og rensning af råvarer. I henhold til produktkvalitetskravene kan naturligt kvartssand eller syntetisk silica vælges som råmateriale. Til kvartsstænger med høje renhedskrav anvendes normalt syntetisk silica fremstillet ved kemisk dampaflejring, og dets renhed kan nå mere end 99,9999%.

Råvarerne skal gennemgå flere oprensningsprocesser, før de går ind i smelteprocessen: Først bruges bejdsning til at fjerne metalurenheder, derefter udføres højtemperaturkloreringsbehandling for yderligere oprensning, og til sidst anvendes præcisionsscreening for at sikre ensartet partikelstørrelse. Forarbejdningskvaliteten på dette stadium påvirker direkte slutproduktets optiske egenskaber og termiske stabilitet.

(2). Højtemperatursmelteproces
Smeltning er kerneleddet i produktionen af ​​kvartsglas. I øjeblikket anvendes tre smelteteknologier hovedsageligt i industrien:

Elektrisk smeltning er den mest traditionelle produktionsproces. I et vakuum- eller inertgasbeskyttelsesmiljø smeltes kvartssandet af en højtemperaturbue genereret af en grafitelektrode. Denne metode har relativt lav udstyrsinvestering og er velegnet til produktion af kvartsstænger i store størrelser, men en lille mængde kulstofurenheder kan forblive i produktet.

Gasraffineringsmetoden bruger en brint-iltflamme som varmekilde, og temperaturen kan nå over 2000°C. Højrent kvartssand smeltes i brint-iltflammen, og ekstremt højrent kvartsglas kan opnås ved præcis styring af flammetemperatur og smeltetid. Denne metode er særligt velegnet til produktion af optisk kvalitet kvartsstænger, men energiforbruget er højt, og produktionseffektiviteten er relativt lav.

Plasmasmeltning er en avanceret teknologi udviklet i de senere år. Den bruger en plasmabrænder til at generere ultrahøj temperatur (op til 3000°C) for at smelte råmaterialerne øjeblikkeligt. Fordelen ved denne metode er, at den kan producere kvartsglas med ultrahøj renhed, som er næsten fri for hydroxyl og andre urenheder, og er særligt velegnet til anvendelser af halvledere og optiske fibre, men udstyret er komplekst og dyrt.

(3). Støbe- og tegneproces
Det smeltede kvartsglas skal støbes præcist for at opnå stænger, der opfylder kravene. Der er to hovedstøbningsmetoder:

Formstøbningsmetoden sprøjter smeltet kvarts ind i en speciel form og opnår den ønskede form ved præcist at kontrollere afkølingshastigheden. Denne metode er velegnet til fremstilling af kvartsstænger med stor diameter, men der kan være stresskoncentration inde i produktet.

Den kontinuerlige tegnemetode er den mest almindeligt anvendte produktionsproces. Den smeltede kvarts strømmer ud af en speciel lækageplade og trækkes med konstant hastighed gennem et præcist styret træksystem. Ved at justere tegnehastigheden og temperaturen kan forskellige specifikationer af produkter med diametre fra nogle få millimeter til hundredvis af millimeter opnås. Temperaturgradienten og afkølingshastigheden skal kontrolleres præcist under tegningsprocessen for at sikre stangens dimensionelle nøjagtighed og indre kvalitet.

(4). Præcisions udglødningsbehandling
Den nydannede kvartsstav skal gennemgå en streng udglødningsproces for at eliminere indre stress. Udglødningsprocessen udføres normalt i en speciel udglødningsovn, med temperaturen styret mellem 1100-1200 ℃, og isoleringstiden afhænger af stangens størrelse. Nøglen er strengt at kontrollere kølehastigheden. Normalt er kølemetoden segmenteret. Det kan tage flere dage fra højtemperaturzonen til lavtemperaturzonen. Perfekt udglødning kan væsentligt forbedre den termiske stabilitet og mekaniske styrke af kvartsstangen.

(5). Efterbehandling og efterbehandling
Den udglødede kvartsstang skal også gennemgå flere præcisionsbearbejdningsprocesser:

Bearbejdning omfatter cylindrisk slibning, endefladeslibning osv. for at sikre dimensionsnøjagtighed og overfladefinish. For kvartsstænger med specielle krav kan kompleks bearbejdning som boring og riller være påkrævet.

Overfladebehandling er et nøgletrin for at forbedre ydeevnen, herunder processer som brandpolering og kemisk ætsning. Brandpolering bruger en højtemperaturflamme til at mikrosmelte overfladen for at opnå en optisk glat overflade; kemisk ætsning bruges til at fjerne bearbejdningslaget og forbedre styrken.

Særlige behandlinger kan omfatte: UV-bestråling for at forbedre optiske egenskaber, højtemperatur varmebehandling for at reducere hydroxylindholdet eller overfladebelægning for at forbedre specifikke funktioner i henhold til applikationskrav.

6. Kvalitetsinspektion og kontrol
Den færdige kvartsstang skal igennem en række strenge kvalitetsinspektionsprocesser, før den forlader fabrikken. Disse inspektionselementer dækker flere vigtige præstationsindikatorer for materialet, såsom optik, fysik, termisk og kemi. I den optiske ydeevnetest vil teknikere bruge et præcisionsspektrofotometer til at måle kvartsstangens transmittansegenskaber ved forskellige bølgelængder, idet de lægger særlig vægt på dens transmittansydelse i de ultraviolette og infrarøde bånd.

Samtidig vil laserinterferometre og andet udstyr blive brugt til at detektere ensartetheden af ​​brydningsindekset for at sikre, at den optiske ydeevne af hele kvartsstangen opfylder designkravene. Disse optiske testdata er afgørende for at afgøre, om kvarts stang er velegnet til præcisionsoptiske systemer.

Detektion af geometrisk dimensionsnøjagtighed er det grundlæggende led i kvalitetskontrol. Inspektørerne vil bruge højpræcisions kalibere, mikrometre og andre måleværktøjer til at måle de grundlæggende dimensioner af kvartsstangen, såsom diameter, længde og rundhed. Til applikationer med høj efterspørgsel kan en tre-koordinat målemaskine også bruges til mere præcis dimensionsdetektion for at sikre, at kvartsstavens geometriske tolerance kontrolleres inden for det tilladte område. Denne test er direkte relateret til den matchende nøjagtighed af kvartsstangen i den efterfølgende monterings- og brugsproces.

Indvendig defektinspektion udføres hovedsageligt af professionelt testudstyr. Almindelige metoder omfatter optisk mikroskopobservation, røntgenfejldetektion og ultralydstestning. Disse detektionsmetoder kan nøjagtigt identificere de defekter, såsom bobler, urenheder, revner osv., der kan forekomme inde i kvartsstangen, og bestemme produktkvaliteten i henhold til størrelsen, mængden og fordelingen af ​​defekterne. Især for optiske og halvlederkvalitets kvartsstænger er kontrolstandarderne for interne defekter strengere og kræver normalt ingen synlige defekter overhovedet.

Termisk ydeevnetest omfatter hovedsageligt to vigtige elementer: termisk ekspansionskoefficienttest og termisk stødmodstandstest. Den termiske ekspansionskoefficient-test bruger en termomekanisk analysator til at måle dimensionsændringerne af kvartsstaven ved forskellige temperaturer. Den termiske stødmodstandstesten er at hurtigt skifte kvartsstangen mellem høj- og lavtemperaturmiljøer for at observere dens revnemodstand. Disse termiske ydeevnedata er af stor referenceværdi for evaluering af pålideligheden af ​​kvartsstænger i temperaturændringsmiljøer.

Kemisk stabilitetstest evaluerer hovedsageligt tolerancen af ​​kvartsstænger i forskellige kemiske miljøer. Almindelige testmetoder omfatter nedsænkning af kvartsstavprøver i syre- og alkaliopløsninger af forskellige koncentrationer, observation af deres overfladeændringer og måling af vægtændringer og overfladeruhedsændringer før og efter nedsænkning.

Blandt dem er testen af ​​modstandsdygtighed over for flussyre særlig vigtig, fordi kvartsglas er særligt modtageligt for korrosion i et flussyremiljø. Gennem disse omfattende kvalitetstests kan det sikres, at hver kvartsstang, der sendes fra fabrikken, opfylder strenge kvalitetsstandarder og opfylder de særlige krav i forskellige anvendelsesscenarier.

7. Anvendelsesområder for kvartsglas stænger
Inden for optisk teknik spiller kvartsglasstænger en afgørende rolle. På grund af sin fremragende UV-synlig-infrarøde fuldbånds lystransmission er det et ideelt materiale til fremstilling af optiske komponenter med høj præcision. I laserteknologiapplikationer bruges kvartsstænger ofte som resonanshulrumsmedier og optiske vinduer i lasere, især i højeffekt CO2-lasere, hvor kvartsstænger kan modstå ekstrem stærk laserenergi uden skader.

I optiske fiberkommunikationssystemer trækkes ultrahøj renhed kvartsglasstænger præcist for at danne optiske fiberpræforme, som er de centrale råmaterialer til fremstilling af optiske kommunikationsfibre. Ved fremstilling af optiske instrumenter forarbejdes kvartsstænger til forskellige linser, prismer og optiske vinduer, som er meget udbredt i højpræcisionsoptisk udstyr såsom spektrometre og mikroskoper.

Halvlederindustrien er især afhængig af kvartsglasstænger. Under wafer-fremstillingsprocessen laves kvartsstænger i forskellige former af wafer-bærere, diffusionsrør og reaktionskammerkomponenter. Disse komponenter skal modstå højtemperaturmiljøet i halvlederfremstillingsprocessen og skal sikre, at der ikke indføres forurenende urenheder.

I avanceret ekstrem ultraviolet (EUV) litografiteknologi er optiske komponenter lavet af kvartsglas blevet nøglen til at opnå litografinøjagtighed på nanoniveau på grund af deres ekstremt lave termiske udvidelseskoefficient og fremragende optiske ensartethed. Derudover er kvartsglasstænger også meget brugt i observationsvinduer, gasforsyningsrørledninger og andre dele af halvlederudstyr på grund af deres kemiske inertitet.

Den kemiske industri udnytter korrosionsbestandigheden til fulde kvartsglas stænger . I kemiske reaktorer under stærkt sure miljøer kan kvarts observationsvinduer modstå forskellige stærke syreerosion bortset fra flussyre i lang tid. Ætsende medium leveringsrørledninger, rørestave og andre komponenter i kemisk produktion er også ofte lavet af kvartsglas.

Det er især værd at nævne, at i kemiske reaktionseksperimenter ved høje temperaturer og høje tryk kan kvartsreaktionsbeholdere modstå hårde temperaturer og kemiske miljøer på samme tid, hvilket giver pålidelige eksperimentelle forhold for forskere. Kvartsglas klarer sig langt bedre end almindeligt glas og de fleste metalmaterialer i disse applikationer.

I de senere år er kvartsglasmaterialer i stigende grad blevet brugt inden for det medicinske og sundhedsmæssige område. Med hensyn til medicinsk udstyr bruges kvartsstænger til at fremstille optiske transmissionskomponenter af endoskoper, lysledende elementer i laserkirurgiske instrumenter osv. Dens fremragende biokompatibilitet sikrer, at disse instrumenter sikkert kan bruges til menneskelig behandling.

I ultraviolet desinfektionsudstyr bruges højtransmitterende kvartsglasstænger som lampematerialer for at maksimere steriliseringseffektiviteten. I nogle præcisionsmedicinske testinstrumenter sikrer optiske kvartselementer desuden nøjagtigheden af ​​testresultaterne.

Efterspørgslen efter kvartsglas stænger inden for videnskabelig forskning og eksperimenter er også stærk. I højenergifysiske eksperimenter bruges kvartsstænger som vigtige komponenter i Cherenkov-strålingsdetektorer. Inden for materialevidenskabelig forskning giver kvartsdigler og reaktionsbeholdere et ideelt miljø for højtemperaturmaterialesyntese.

Inden for rumvidenskab gør strålingsmodstanden af ​​kvartsglas det til det foretrukne materiale til rumfartøjers optiske systemer. Disse high-end videnskabelige forskningsapplikationer har ofte ekstreme krav til materialeegenskaber, og kvartsglasstænger kan altid udføre opgaven fremragende.