Care sunt principalele componente chimice ale tijelor de sticlă de cuarț?

Componenta chimică principală a tije de sticlă de cuarț este dioxid de siliciu (SiO₂), a cărui puritate este de obicei peste 99,9%, iar sticla de cuarț de înaltă puritate poate ajunge chiar și la 99,9999% (grad 6N).

1. Structura moleculară a dioxidului de siliciu (SiO₂)
Motivul fundamental pentru care tijele de sticlă de cuarț au proprietăți fizice și chimice excelente este structura moleculară specială a dioxidului de siliciu. Spre deosebire de sticla obișnuită, microstructura sticlei de cuarț prezintă o caracteristică de rețea foarte stabilă, care determină direct proprietățile termice, optice și mecanice ale materialului.

La nivel atomic, unitatea structurală de bază a dioxidului de siliciu este tetraedrul siliciu-oxigen. În această structură, un atom de siliciu este situat în centru, iar patru atomi de oxigen sunt distribuiți uniform la vârfurile tetraedrului. Fiecare atom de oxigen formează o legătură covalentă puternică cu atomul central de siliciu. Această metodă de lipire are o energie de legătură extrem de mare, făcând întreaga structură extrem de stabilă.

Este de remarcat în special faptul că fiecare atom de oxigen formează de obicei o punte cu doi atomi de siliciu, conectând astfel tetraedrele de siliciu-oxigen adiacente pentru a forma o structură de rețea tridimensională continuă. Acest mod unic de conectare oferă sticla de cuarț cu rezistență mecanică și stabilitate chimică excelente.

Cea mai notabilă caracteristică structurală a sticlei de cuarț este natura sa amorfă. Deși aranjarea tetraedrelor de siliciu-oxigen în intervalul local rămâne ordonată, aranjarea spațială a acestor tetraedre este complet dezordonată la scară macroscopică. Această caracteristică structurală face ca sticla de cuarț să fie izotropă în proprietăți fizice, adică proprietățile sale nu se schimbă cu direcția de măsurare.

În comparație cu cuarțul cristalin, structura amorfă face ca sticla de cuarț să nu aibă un punct de topire clar, dar se înmoaie treptat în timpul încălzirii, ceea ce are o mare importanță în aplicațiile practice.

Compararea sticlei de cuarț cu cuarțul cristalin poate înțelege mai clar caracteristicile sale structurale. Tetraedrele de siliciu-oxigen din cuarț cristalin sunt aranjate conform regulilor stricte ale sistemului de cristal hexagonal pentru a forma o structură cristalină ordonată pe distanță lungă. Acest aranjament ordonat face ca cuarțul cristalin să prezinte anizotropie, cum ar fi faimosul fenomen de birefringență. Cu toate acestea, sticla de cuarț îi lipsește această ordine pe distanță lungă și nu produce birefringență, ceea ce îi conferă un avantaj unic în aplicațiile optice.

Structura specială a siliciului determină direct proprietățile cheie ale sticlei de cuarț. În primul rând, structura tridimensională continuă a rețelei face materialul extrem de transparent și poate menține o transmisie excelentă de la benzile ultraviolete la infraroșii. În al doilea rând, rețeaua compusă din legături covalente puternice poate rezista în mod eficient modificărilor dimensionale cauzate de schimbările de temperatură, oferind materialului un coeficient de dilatare termică extrem de scăzut. În plus, legăturile stabile de siliciu-oxigen fac sticla de cuarț inertă față de majoritatea substanțelor chimice și va fi corodata doar de acidul fluorhidric și alcalii puternici.

În aplicațiile practice, chiar și urme de elemente de impurități pot avea un efect semnificativ asupra structurii rețelei de siliciu. De exemplu, atunci când ionii de aluminiu înlocuiesc ionii de siliciu și intră în rețea, vor fi cauzate defecte structurale, ducând la o scădere a transmitanței ultraviolete a materialului. În mod similar, introducerea ionilor de metale alcaline va întrerupe rețeaua de legătură siliciu-oxigen și va reduce semnificativ rezistența la temperatură ridicată a materialului. Prin urmare, în aplicațiile de înaltă performanță, puritatea materiilor prime trebuie să fie strict controlată pentru a asigura integritatea structurii rețelei de silice.

2. Diferența dintre tija de sticlă de cuarț și alte materiale de sticlă
Din compoziția de bază a materialului, tijă de sticlă de cuarț este compus aproape în întregime din dioxid de siliciu pur. Această puritate extrem de ridicată îl face să formeze o rețea tridimensională continuă și uniformă în microstructură. În schimb, sticla obișnuită, cum ar fi sticla soda-calcică, are o compoziție mult mai complexă și conține o cantitate mare de oxizi modificați în plus față de dioxidul de siliciu.

Deși aceste componente adăugate îmbunătățesc performanța de prelucrare a sticlei obișnuite, ele schimbă fundamental și proprietățile esențiale ale materialului. Sticla borosilicata, ca un alt tip comun, are o compozitie intre cele doua, iar o performanta relativ echilibrata se obtine prin adaugarea de oxid de bor.

În ceea ce privește proprietățile termice, tijele din sticlă de cuarț prezintă o stabilitate excelentă. Datorită structurii sale de dioxid de siliciu pur și forței puternice de legare siliciu-oxigen, sticla de cuarț poate rezista la temperaturi extrem de ridicate fără înmuiere și deformare. Această proprietate îl face o alegere ideală pentru experimente la temperatură ridicată și aplicații industriale.

Sticla obișnuită începe să se înmoaie la temperaturi relativ scăzute, ceea ce limitează sever utilizarea în medii cu temperaturi ridicate. Deși sticla borosilicată a îmbunătățit rezistența la căldură într-o anumită măsură, încă nu poate atinge nivelul sticlei de cuarț.

Tije de sticlă de cuarț au caracteristici de transmisie a luminii extrem de excelente datorită compoziției lor extrem de pure și structurii uniforme. Nu numai că poate transmite lumina vizibilă, dar și permite razelor ultraviolete și infraroșii să treacă fără probleme. Această capacitate de transmisie a luminii pe bandă largă este dificil de realizat pentru alte materiale din sticlă.

Sticla obișnuită conține diverși ioni metalici și impurități, ceea ce are un efect de blocare foarte evident asupra razelor ultraviolete, ceea ce o face complet incapabilă să înlocuiască sticla de cuarț în aplicațiile care necesită transmisie ultravioletă. Deși proprietățile optice ale sticlei borosilicate sunt mai bune decât sticla obișnuită, transmisia sa luminii în regiunea ultravioletă este totuși mai mică decât cea a sticlei de cuarț.

În ceea ce privește stabilitatea chimică, tijele de sticlă de cuarț au rezultate remarcabile. Are rezistență puternică la majoritatea substanțelor acide și va fi corodat doar de câteva substanțe puternic corozive, cum ar fi acidul fluorhidric. Această rezistență excelentă la coroziune îl face utilizat pe scară largă în industria chimică. Stabilitatea chimică a sticlei obișnuite este relativ slabă, mai ales în medii alcaline. Deși rezistența chimică a sticlei borosilicate a fost îmbunătățită, încă nu este comparabilă cu sticla de cuarț.

Dintr-o perspectivă microscopică, o altă caracteristică importantă a sticlei de cuarț este coeficientul său de dilatare termică extrem de scăzut. Aceasta înseamnă că dimensiunea sticlei de cuarț cu greu se schimbă semnificativ atunci când temperatura se schimbă. Această proprietate îl face de neînlocuit în instrumente optice de precizie și în medii cu schimbări drastice de temperatură. Sticla obișnuită are o expansiune termică mult mai mare, ceea ce poate provoca stres și chiar crăpare atunci când temperatura variază. Sticla borosilicată reduce dilatarea termică printr-o formulă de compoziție specială, dar încă nu funcționează la fel de bine ca sticla de cuarț.

În scenariile reale de aplicare, aceste diferențe de performanță determină direct domeniile aplicabile ale diferitelor materiale de sticlă. Tijele de sticlă de cuarț sunt utilizate pe scară largă în domenii de ultimă generație, cum ar fi producția de semiconductori, optică de precizie și experimente la temperatură înaltă, datorită performanței lor cuprinzătoare excelente.

Sticla obișnuită este folosită în principal în nevoile zilnice și în domeniile construcțiilor. Avantajele sale sunt costul redus și procesarea ușoară. Sticla borosilicată și-a găsit propria poziție pe piață și este folosită în ustensile de laborator și în unele lămpi speciale.

3. Procesul de producție a tijei de sticlă de cuarț
Producția de tije de sticlă de cuarț este un proces complex care integrează știința materialelor, tehnologia la temperatură înaltă și prelucrarea de precizie. Miezul constă în modul de transformare a materiilor prime de siliciu în produse în formă de tijă cu cerințe specifice de performanță și dimensiune. Întregul proces de producție poate fi împărțit în patru etape principale: prelucrarea materiilor prime, turnarea prin topire, turnarea prin tragere și post-procesare. Fiecare etapă necesită un control strict pentru a asigura calitatea produsului final.

(1). Pregătirea și pretratarea materiei prime
Prima verigă în producția de sticlă de cuarț este selectarea și purificarea materiilor prime. În conformitate cu cerințele de calitate a produsului, ca materii prime pot fi selectate nisip de cuarț natural sau silice sintetică. Pentru tijele de cuarț cu cerințe de puritate ridicate, se folosește de obicei silice sintetică preparată prin depunere chimică de vapori, iar puritatea acestuia poate ajunge la mai mult de 99,9999%.

Materiile prime trebuie să treacă prin mai multe procese de purificare înainte de a intra în procesul de topire: în primul rând, decaparea este utilizată pentru a îndepărta impuritățile metalice, apoi se efectuează un tratament de clorurare la temperatură înaltă pentru purificare ulterioară și, în final, este utilizată o screening de precizie pentru a asigura o dimensiune uniformă a particulelor. Calitatea procesării în această etapă afectează direct proprietățile optice și stabilitatea termică a produsului final.

(2). Proces de topire la temperatură înaltă
Topirea este veriga principală a producției de sticlă de cuarț. În prezent, trei tehnologii de topire sunt utilizate în principal în industrie:

Topirea electrică este cel mai tradițional proces de producție. Într-un mediu de protecție cu vid sau gaz inert, nisipul de cuarț este topit printr-un arc de temperatură ridicată generat de un electrod de grafit. Această metodă are investiții relativ scăzute în echipamente și este potrivită pentru producția de tije de cuarț de dimensiuni mari, dar o cantitate mică de impurități de carbon poate rămâne în produs.

Metoda de rafinare a gazului folosește o flacără de hidrogen-oxigen ca sursă de căldură, iar temperatura poate ajunge peste 2000°C. Nisipul de cuarț de înaltă puritate este topit în flacăra de hidrogen-oxigen, iar sticla de cuarț de puritate extremă poate fi obținută prin controlul precis al temperaturii flăcării și al timpului de topire. Această metodă este potrivită în special pentru producția de tije de cuarț de calitate optică, dar consumul de energie este mare și eficiența producției este relativ scăzută.

Topirea cu plasmă este o tehnologie de vârf dezvoltată în ultimii ani. Folosește o torță cu plasmă pentru a genera o temperatură ultra-înaltă (până la 3000°C) pentru a topi materiile prime instantaneu. Avantajul acestei metode este că poate produce sticlă de cuarț de puritate ultra-înaltă, care este aproape lipsită de hidroxil și alte impurități și este deosebit de potrivită pentru aplicații de semiconductor și fibre optice, dar echipamentul este complex și costisitor.

(3). Proces de turnare și desenare
Sticla de cuarț topit trebuie turnată cu precizie pentru a obține tije care îndeplinesc cerințele. Există două metode principale de turnare:

Metoda de turnare a matriței injectează cuarț topit într-o matriță specială și obține forma dorită controlând cu precizie viteza de răcire. Această metodă este potrivită pentru producerea tijelor de cuarț cu diametru mare, dar poate exista o concentrare a tensiunilor în interiorul produsului.

Metoda de desenare continuă este cel mai des utilizat proces de producție. Cuarțul topit curge dintr-o placă specială de scurgere și este tras cu o viteză constantă printr-un sistem de tracțiune controlat cu precizie. Prin reglarea vitezei de tragere și a temperaturii, se pot obține diferite specificații ale produselor cu diametre cuprinse între câțiva milimetri și sute de milimetri. Gradientul de temperatură și viteza de răcire trebuie controlate cu precizie în timpul procesului de desenare pentru a asigura acuratețea dimensională și calitatea internă a tijei.

(4). Tratament de recoacere de precizie
Tija de cuarț nou formată trebuie să fie supusă unui proces de recoacere strict pentru a elimina stresul intern. Procesul de recoacere se desfășoară de obicei într-un cuptor de recoacere special, cu temperatura controlată între 1100-1200℃, iar timpul de izolare depinde de dimensiunea tijei. Cheia este să controlezi cu strictețe viteza de răcire. De obicei, metoda de răcire este segmentată. Pot dura câteva zile de la zona de temperatură ridicată la zona de temperatură scăzută. Recoacere perfectă poate îmbunătăți semnificativ stabilitatea termică și rezistența mecanică a tijei de cuarț.

(5). Post-procesare și finisare
Tija de cuarț recoaptă trebuie, de asemenea, să treacă prin mai multe procese de prelucrare de precizie:

Prelucrarea include șlefuirea cilindrică, șlefuirea față de capăt etc. pentru a asigura acuratețea dimensională și finisarea suprafeței. Pentru tijele de cuarț cu cerințe speciale, pot fi necesare procesări complexe, cum ar fi găurirea și canelarea.

Tratarea suprafeței este un pas cheie pentru îmbunătățirea performanței, inclusiv procese precum lustruirea la foc și gravarea chimică. Lustruirea la foc folosește o flacără la temperatură ridicată pentru a micro-topi suprafața pentru a obține o suprafață netedă optic; gravarea chimică este utilizată pentru a îndepărta stratul de deteriorare a procesării și pentru a îmbunătăți rezistența.

Tratamentele speciale pot include: iradiere UV pentru a îmbunătăți proprietățile optice, tratament termic la temperatură înaltă pentru a reduce conținutul de hidroxil sau acoperire de suprafață pentru a îmbunătăți funcțiile specifice în funcție de cerințele aplicației.

6. Inspecție și control al calității
Tija de cuarț finită trebuie să treacă printr-o serie de procese stricte de inspecție a calității înainte de a părăsi fabrica. Aceste elemente de inspecție acoperă mai mulți indicatori cheie de performanță ai materialului, cum ar fi optică, fizică, termică și chimie. În testul de performanță optică, tehnicienii vor folosi un spectrofotometru de precizie pentru a măsura caracteristicile de transmisie ale tijei de cuarț la diferite lungimi de undă, acordând o atenție deosebită performanței sale de transmisie în benzile ultraviolete și infraroșii.

În același timp, interferometrele laser și alte echipamente vor fi utilizate pentru a detecta uniformitatea indicelui de refracție pentru a se asigura că performanța optică a întregii tije de cuarț îndeplinește cerințele de proiectare. Aceste date de testare optică sunt cruciale pentru a determina dacă tijă de cuarț este potrivit pentru sisteme optice de precizie.

Detectarea preciziei dimensiunilor geometrice este veriga de bază a controlului calității. Inspectorii vor folosi șublere de înaltă precizie, micrometre și alte instrumente de măsurare pentru a măsura dimensiunile de bază ale tijei de cuarț, cum ar fi diametrul, lungimea și rotunjimea. Pentru aplicații cu cerere mare, o mașină de măsurat cu trei coordonate poate fi, de asemenea, utilizată pentru o detecție dimensională mai precisă, pentru a se asigura că toleranța geometrică a tijei de cuarț este controlată în intervalul permis. Acest test este direct legat de precizia de potrivire a tijei de cuarț în procesul de asamblare și utilizare ulterioară.

Inspecția defectelor interne este finalizată în principal de echipamente profesionale de testare. Metodele comune includ observarea cu microscopul optic, detectarea defectelor cu raze X și testarea cu ultrasunete. Aceste metode de detectare pot identifica cu precizie defectele precum bule, impurități, fisuri etc. care pot exista în interiorul tijei de cuarț și pot determina calitatea produsului în funcție de dimensiunea, cantitatea și distribuția defectelor. În special pentru tijele de cuarț de calitate optică și semiconductoare, standardele de control pentru defectele interne sunt mai stricte și, de obicei, nu necesită deloc defecte vizibile.

Testarea performanței termice include în principal două elemente importante: testul coeficientului de dilatare termică și testul de rezistență la șoc termic. Testul coeficientului de dilatare termică folosește un analizor termomecanic pentru a măsura modificările dimensionale ale tijei de cuarț la diferite temperaturi. Testul de rezistență la șocuri termice este de a comuta rapid tija de cuarț între medii cu temperatură ridicată și scăzută pentru a-i observa rezistența la fisurare. Aceste date de performanță termică sunt de mare valoare de referință pentru evaluarea fiabilității tijelor de cuarț în medii cu schimbări de temperatură.

Testarea stabilității chimice evaluează în principal toleranța tijelor de cuarț în diferite medii chimice. Metodele obișnuite de testare includ scufundarea probelor de tije de cuarț în soluții acide și alcaline de diferite concentrații, observarea modificărilor suprafeței acestora și măsurarea modificărilor de greutate și a rugozității suprafeței înainte și după imersare.

Printre acestea, testul de rezistență la acidul fluorhidric este deosebit de important, deoarece sticla de cuarț este deosebit de susceptibilă la coroziune într-un mediu cu acid fluorhidric. Prin aceste teste de calitate cuprinzătoare, se poate asigura că fiecare tijă de cuarț expediată din fabrică îndeplinește standarde stricte de calitate și îndeplinește cerințele speciale ale diferitelor scenarii de aplicare.

7. Domenii de aplicare ale tije de sticlă de cuarț
În domeniul ingineriei optice, tijele de sticlă de cuarț joacă un rol vital. Datorită transmisiei excelente de lumină UV-vizibil-infraroșu pe bandă completă, este un material ideal pentru fabricarea componentelor optice de înaltă precizie. În aplicațiile tehnologiei laser, tijele de cuarț sunt adesea folosite ca medii de cavitate rezonantă și ferestre optice ale laserelor, în special în laserele cu CO2 de mare putere, unde tijele de cuarț pot rezista la energie laser extrem de puternică fără deteriorare.

În sistemele de comunicații cu fibre optice, tijele de sticlă de cuarț de puritate ultra-înaltă sunt desenate cu precizie pentru a forma preforme de fibră optică, care sunt materiile prime de bază pentru fabricarea fibrelor optice de comunicații. La fabricarea instrumentelor optice, tijele de cuarț sunt prelucrate în diverse lentile, prisme și ferestre optice, care sunt utilizate pe scară largă în echipamente optice de înaltă precizie, cum ar fi spectrometre și microscoape.

Industria semiconductoarelor este dependentă în special de tijele din sticlă de cuarț. În timpul procesului de fabricare a plachetelor, tijele de cuarț sunt realizate în diferite forme de purtători de plachete, tuburi de difuzie și componente ale camerei de reacție. Aceste componente trebuie să reziste la mediul de temperatură ridicată în procesul de fabricație a semiconductorilor și trebuie să se asigure că nu sunt introduse impurități contaminante.

În tehnologia avansată de litografie cu ultraviolete extreme (EUV), componentele optice din sticlă de cuarț au devenit cheia pentru obținerea preciziei litografiei la nivel nano datorită coeficientului lor de expansiune termică extrem de scăzut și uniformității optice excelente. În plus, tijele de sticlă de cuarț sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în ferestrele de observare, conductele de livrare a gazelor și alte părți ale echipamentelor semiconductoare datorită inerției lor chimice.

Industria chimică utilizează pe deplin rezistența la coroziune a tije de sticlă de cuarț . În reactoarele chimice aflate în medii puternic acide, ferestrele de observare cu cuarț pot rezista mult timp la diferite eroziuni acide puternice, cu excepția acidului fluorhidric. Conductele corozive cu livrare medie, tijele de agitare și alte componente în producția chimică sunt adesea realizate din sticlă de cuarț.

Este de menționat în special faptul că în experimentele de reacție chimică la temperatură înaltă și la presiune înaltă, vasele de reacție cu cuarț pot rezista la temperaturi dure și medii chimice în același timp, oferind condiții experimentale fiabile pentru cercetători. Sticla de cuarț are rezultate mult mai bune decât sticla obișnuită și majoritatea materialelor metalice în aceste aplicații.

În ultimii ani, materialele din sticlă de cuarț au fost din ce în ce mai utilizate în domeniul medical și al sănătății. În ceea ce privește echipamentul medical, tijele de cuarț sunt utilizate pentru fabricarea componentelor de transmisie optică a endoscoapelor, elementelor de ghidare a luminii ale instrumentelor chirurgicale cu laser etc. Biocompatibilitatea excelentă asigură că aceste instrumente pot fi utilizate în siguranță pentru tratamentul uman.

În echipamentele de dezinfecție cu ultraviolete, tijele de sticlă de cuarț cu transmisie ridicată sunt utilizate ca materiale pentru lampă pentru a maximiza eficiența sterilizării. În plus, în unele instrumente de testare medicală de precizie, elementele optice de cuarț asigură acuratețea rezultatelor testelor.

Cererea pentru tije de sticlă de cuarț în domeniul cercetării științifice și al experimentului este, de asemenea, puternică. În experimentele de fizică de înaltă energie, tijele de cuarț sunt folosite ca componente importante ale detectorilor de radiații Cherenkov. În cercetarea științei materialelor, creuzetele de cuarț și vasele de reacție oferă un mediu ideal pentru sinteza materialelor la temperatură înaltă.

În domeniul științei spațiale, rezistența la radiații a sticlei de cuarț face din aceasta materialul preferat pentru sistemele optice ale navelor spațiale. Aceste aplicații de cercetare științifică de vârf au adesea cerințe extreme pentru proprietățile materialelor, iar tijele de sticlă de cuarț pot întotdeauna îndeplini sarcina excelent.