Три методе припреме кварцног стакла високе чистоће

Природно силицијумско стакло

Прва категорија укључује топљење природних кварц кристала или силицијум диоксида за производњу природног кварцног стакла, које се даље може поделити на методе као што су електрично топљење, сагоревање гаса и плазма топљење на основу извора топлоте и процеса.

Код „електричне методе топљења“, прашкасти кварцни материјали у лончићу се топе електричним загревањем (укључујући отпорно загревање и електромагнетно индукцијско загревање), након чега следи процес брзог хлађења и витрификације да би се формирало кварцно стакло14. Током топљења, структура кристала кварца пролази кроз фазне прелазе из β-кварца у α-кварц, затим у α-кристобалит (праћено формирањем аморфне фазе), док не достигне приближно 1723°C, где почиње да се формира кварцни растоп.

Кварцни песак високе чистоће

Процес топљења кварцног праха се обично изводи у окружењу високог вакуума (0.1~10 Па) како би се уклонио гас који се ослобађа у процесу и смањио садржај мехурића у кварцном стаклу. Квалитет кварцног стакла припремљеног методом електричног топљења углавном зависи од чистоће сировина. Металне нечистоће у кварцним сировинама је обично тешко уклонити, па су металне нечистоће у растопљеном кварцном стаклу генерално високе и тешко их је контролисати. Влага у кварцном праху може се ефикасно уклонити сушењем, па се кварцно стакло са ниским садржајем хидроксила може припремити методом електричног топљења.

Синтетичко кварцно стакло

Друга категорија укључује синтезу кварцно стакло путем хемијских реакција коришћењем једињења која садрже силицијум (нпр. халосилани, хидросилани и органосилицијуми) као сировина, названих „синтетичко кварцно стакло“. На основу принципа реакције, ова категорија је даље подељена на три методе.

1) ‌Плазма хемијско таложење из парне фазе (PCVD)‌: Једињења која садрже силицијум подлежу термичкој оксидацији у безводној средини да би се створио SiO₂.

2) ‌Таложени пламеном хидролизом (FHD)‌: Једињења која садрже силицијум подлежу хидролизи (често праћеној оксидацијом) у пламену водоника и кисеоника.

3) Сол-гел метода: Једињења која садрже силицијум подлежу хидролизи у воденој средини.

Међу њима, ‌FHD‌ је најшире усвојена и најзрелија индустријска технологија, која обухвата ‌директну‌ и ‌индиректну‌ синтезу.

● ‌Директна синтеза‌: Хидролиза на високој температури производи растопљене честице SiO₂, које се директно таложе на подлогу и хладе да би се формирало кварцно стакло.

● ‌Индиректна синтеза‌: Хидролиза на ниској температури ствара честице SiO₂ сличне чађи, формирајући порозно SiO₂ тело. Ово порозно тело подлеже дехидрацији, допирању, синтеровању и хлађењу да би се добило кварцно стакло.

У индустријским применама, уобичајено коришћена метода директне синтезе је хемијско таложење из паре (CVD). Индиректне методе синтезе укључују модификоване приступе засноване на CVD-у, као што су двостепени CVD, аксијално таложење из паре (VAD) и спољашње таложење из паре (OVD).

Ове методе се разликују у процесима припреме и финалним производима. На пример, CVD и двостепени CVD се првенствено користе за производњу ингота од кварцног стакла великих димензија, док се VAD и OVD углавном користе за производњу преформи оптичких влакана од кварцног стакла. Упркос овим разликама, све ове технике су фундаментално утемељене у принципима таложења пламеном хидролизом (FHD).

Инготи од кварцног стакла

Преформа оптичких влакана

Метода термичке модификације

У практичним индустријским применама, захтеви за облик производа од кварцног стакла су критични. На пример, цеви од кварцног стакла високе чистоће и штапићи од кварцног стакла се широко користе у индустрији полупроводника. Као резултат тога, преобликовање производа (реформирање) има значајан значај у производњи кварцног стакла. Тренутно је метод термичког реформирања примарни индустријски приступ за модификовање кварцно стакло производи. Ово подразумева загревање кварцног стакла до тачке омекшавања, а затим промену његовог облика према практичним потребама.

Синтетичка кварцна стаклена цев

Како температура расте, кварцно стакло Преформа омекшава, омогућавајући да се уређај за вучу повуче надоле и формира штапиће или цеви од кварцног стакла. Подешавањем температуре пећи и брзине вучења могу се произвести штапићи или цеви различитих пречника. Распоред калемова и структура пећи електромагнетне индукционе грејне пећи значајно утичу на поље расподеле температуре унутар пећи. У практичној производњи, строга контрола овог температурног поља је неопходна како би се осигурао квалитет производа од кварцног стакла.

Кварцне стаклене шипке и кварцне стаклене цеви

(Делови на слици: 1-матични штап од кварцног стакла; 2-грејни елемент; 3-штап од кварцног стакла; 4-матична цев од кварцног стакла; 5-индукциони калем; 6-цев од кварцног стакла; 7-трактор)