Три методи приготування високочистого кварцового скла

Натуральне кварцове скло

Перша категорія включає плавлення природних кварц кристали або кремнезем для виробництва натурального кварцового скла, яке можна додатково поділити на такі методи, як ‌електричне плавлення‌, ‌спалювання газу‌ та ‌плазмове плавлення‌ на основі джерел тепла та процесів.

У методі ‌електричного плавлення‌ порошкоподібна кварцова сировина в тиглі плавиться за допомогою електричного нагрівання (включаючи нагрівання резистивним методом та електромагнітне індукційне нагрівання), після чого відбувається швидке охолодження та вітрифікація для утворення кварцового скла14. Під час плавлення кристалічна структура кварцу зазнає фазових переходів від β-кварцу до α-кварцу, потім до α-кристобаліту (що супроводжується утворенням аморфної фази), доки не досягне приблизно 1723°C, де починає формуватися кварцовий розплав.

Кварцовий пісок високої чистоти

Процес плавлення кварцового порошку зазвичай проводиться в середовищі високого вакууму (0.1~10 Па) для видалення газу, що виділяється в процесі, та зменшення вмісту бульбашок у кварцовому склі. Якість кварцового скла, отриманого методом електроплавлення, головним чином залежить від чистоти сировини. Металеві домішки в кварцовій сировині зазвичай важко видалити, тому вміст металевих домішок у плавленому кварцовому склі, як правило, високий і його важко контролювати. Вміст вологи в кварцовому порошку можна ефективно видалити шляхом сушіння, тому кварцове скло з низьким вмістом гідроксильних груп можна отримати методом електроплавлення.

Синтетичне кварцове скло

Друга категорія включає синтез кварцове скло шляхом хімічних реакцій з використанням кремнійвмісних сполук (наприклад, галогенсиланів, гідросиланів та органокремніїв) як сировини, що називається «синтетичним кварцовим склом». За принципами реакції ця категорія додатково поділяється на три методи.

1) Плазмохімічне осадження з парової фази (PCVD): Кремнійвмісні сполуки піддаються термічному окисленню в безводному середовищі з утворенням SiO₂.

2) ‌Осадження методом полум'яного гідролізу (FHD)‌: Кремнійвмісні сполуки піддаються гідролізу (часто супроводжується окисленням) у воднево-кисневому полум'ї.

3)‌Золь-гель метод‌: Кремнійвмісні сполуки піддаються гідролізу у водному середовищі.

Серед них ‌FHD‌ є найбільш широко впровадженою та зрілою промисловою технологією, що охоплює ‌прямий‌ та ‌непрямий‌ синтез.

● ‌Прямий синтез‌: Високотемпературний гідроліз утворює розплавлені частинки SiO₂, які безпосередньо осідають на підкладку та охолоджуються для утворення кварцового скла.

● ‌Непрямий синтез‌: Низькотемпературний гідроліз генерує сажоподібні частинки SiO₂, утворюючи пористе тіло SiO₂. Це пористе тіло піддається зневодненню, легуванню, спіканню та охолодженню, утворюючи кварцове скло.

У промисловому застосуванні зазвичай використовується метод прямого синтезу – хімічне осадження з парової фази (CVD). Методи непрямого синтезу включають модифіковані підходи, засновані на CVD, такі як двостадійне CVD, осьове осадження з парової фази (VAD) та зовнішнє осадження з парової фази (OVD).

Ці методи відрізняються процесами підготовки та кінцевими продуктами. Наприклад, CVD та двостадійний CVD в основному використовуються для виробництва великогабаритних злитків кварцового скла, тоді як VAD та OVD в основному використовуються для виготовлення заготовок оптичних волокон з кварцового скла. Незважаючи на ці відмінності, всі ці методи фундаментально базуються на принципах полум'яно-гідролізного осадження (FHD).

Злиток кварцового скла

Преформа оптичного волокна

Метод термічної модифікації

У практичному промисловому застосуванні вимоги до форми виробів з кварцового скла є критично важливими. Наприклад, високочисті кварцові скляні трубки та кварцові скляні стрижні широко використовуються в напівпровідниковій промисловості. Як результат, зміна форми виробів (риформінг) має значну важливість у виробництві кварцового скла. Наразі метод термічного риформінгу є основним промисловим підходом до модифікації. кварцове скло продукти. Це включає нагрівання кварцового скла до точки розм'якшення, а потім зміну його форми відповідно до практичних потреб.

Синтетична кварцова скляна трубка

Зі зростанням температури, кварцове скло Преформа розм'якшується, що дозволяє тягнути її вниз за допомогою тягнучого пристрою для формування кварцових скляних стрижнів або трубок. Регулюючи температуру печі та швидкість витягування, можна виготовляти стрижні або трубки різного діаметра. Розташування котушок та конструкція печі електромагнітної індукційної нагрівальної печі суттєво впливають на поле розподілу температури всередині печі. У практичному виробництві суворий контроль цього температурного поля є важливим для забезпечення якості виробів з кварцового скла.

Кварцові скляні стрижні та кварцові скляні трубки

(Деталі на малюнку: 1 – кварцовий скляний материнський стрижень; 2 – нагрівальний елемент; 3 – кварцовий скляний стрижень; 4 – кварцова скляна материнська трубка; 5 – індукційна котушка; 6 – кварцова скляна трубка; 7 – трактор)