سه روش آماده سازی شیشه کوارتز با خلوص بالا

شیشه سیلیس طبیعی

دسته اول شامل ذوب شدن طبیعی است کوارتز کریستال‌ها یا سیلیس برای تولید شیشه کوارتز طبیعی، که می‌تواند بر اساس منابع گرما و فرآیندها به روش‌هایی مانند ذوب الکتریکی، احتراق گاز و ذوب پلاسما تقسیم شود.

در روش ذوب الکتریکی، مواد اولیه کوارتز پودری در یک بوته از طریق گرمایش الکتریکی (شامل گرمایش مقاومتی و گرمایش القایی الکترومغناطیسی) ذوب می‌شوند و به دنبال آن یک فرآیند انجماد سریع برای تشکیل شیشه کوارتز انجام می‌شود. در طول ذوب، ساختار کریستالی کوارتز دستخوش گذار فاز از β-کوارتز به α-کوارتز و سپس به α-کریستوبالیت (همراه با تشکیل فاز آمورف) می‌شود تا زمانی که به تقریباً 1723 درجه سانتیگراد برسد، جایی که ذوب کوارتز شروع به تشکیل می‌کند.

شن کوارتز با خلوص بالا

فرآیند ذوب پودر کوارتز معمولاً در محیط خلاء بالا (0.1 تا 10 پاسکال) انجام می‌شود تا گاز آزاد شده در این فرآیند حذف شده و محتوای حباب در شیشه کوارتز کاهش یابد. کیفیت شیشه کوارتز تهیه شده با روش ذوب الکتریکی عمدتاً به خلوص مواد اولیه بستگی دارد. ناخالصی‌های فلزی موجود در مواد اولیه کوارتز معمولاً به سختی قابل حذف هستند، بنابراین ناخالصی‌های فلزی موجود در شیشه کوارتز ذوب شده عموماً زیاد و کنترل آنها دشوار است. رطوبت موجود در پودر کوارتز را می‌توان با خشک کردن به طور مؤثر حذف کرد، بنابراین شیشه کوارتز با محتوای هیدروکسیل کم را می‌توان با روش ذوب الکتریکی تهیه کرد.

شیشه کوارتز مصنوعی

دسته دوم شامل سنتز کردن است شیشه کوارتز از طریق واکنش‌های شیمیایی با استفاده از ترکیبات حاوی سیلیکون (به عنوان مثال، هالوسیلان‌ها، هیدروسیلان‌ها و ارگانوسیلیکون‌ها) به عنوان مواد اولیه، که شیشه کوارتز مصنوعی نامیده می‌شود. بر اساس اصول واکنش، این دسته به سه روش دیگر تقسیم می‌شود.

۱) رسوب‌گذاری شیمیایی بخار پلاسما (PCVD): ترکیبات حاوی سیلیکون در یک محیط بدون آب، تحت اکسیداسیون حرارتی قرار می‌گیرند تا SiO₂ تولید کنند.

۲) رسوب‌گذاری با هیدرولیز شعله‌ای (FHD): ترکیبات حاوی سیلیکون در شعله هیدروژن-اکسیژن تحت هیدرولیز (اغلب همراه با اکسیداسیون) قرار می‌گیرند.

۳) روش سل-ژل: ترکیبات حاوی سیلیکون در یک محیط آبی هیدرولیز می‌شوند.

در میان این موارد، FHD پرکاربردترین و بالغ‌ترین فناوری صنعتی است که شامل سنتز مستقیم و سنتز غیرمستقیم می‌شود.

● سنتز مستقیم: هیدرولیز در دمای بالا ذرات SiO₂ مذاب تولید می‌کند که مستقیماً روی یک زیرلایه رسوب داده شده و برای تشکیل شیشه کوارتز سرد می‌شوند.

● سنتز غیرمستقیم: هیدرولیز در دمای پایین ذرات SiO₂ دوده مانندی تولید می‌کند که یک جسم متخلخل SiO₂ را تشکیل می‌دهد. این جسم متخلخل تحت آبگیری، آلایش، تفجوشی و خنک‌سازی قرار می‌گیرد تا شیشه کوارتز حاصل شود.

در کاربردهای صنعتی، روش سنتز مستقیم رایج، رسوب‌گذاری شیمیایی بخار (CVD) است. روش‌های سنتز غیرمستقیم شامل رویکردهای اصلاح‌شده مبتنی بر CVD، مانند CVD دو مرحله‌ای، رسوب‌گذاری محوری فاز بخار (VAD) و رسوب‌گذاری بخار خارجی (OVD) هستند.

این روش‌ها در فرآیندهای آماده‌سازی و محصولات نهایی متفاوت هستند. به عنوان مثال، CVD و CVD دو مرحله‌ای در درجه اول برای تولید شمش‌های شیشه کوارتز با اندازه بزرگ استفاده می‌شوند، در حالی که VAD و OVD عمدتاً برای تولید پیش ساخته‌های فیبر نوری شیشه کوارتز به کار می‌روند. با وجود این تمایزات، همه این تکنیک‌ها اساساً ریشه در اصول رسوب هیدرولیز شعله‌ای (FHD) دارند.

شمش شیشه کوارتز

پیش ساخته فیبر نوری

روش اصلاح حرارتی

در کاربردهای صنعتی عملی، الزامات شکل محصولات شیشه کوارتز بسیار مهم است. به عنوان مثال، لوله‌های شیشه کوارتز با خلوص بالا و میله‌های شیشه کوارتز به طور گسترده در صنعت نیمه‌هادی استفاده می‌شوند. در نتیجه، تغییر شکل محصول (ریفرمینگ) از اهمیت قابل توجهی در تولید شیشه کوارتز برخوردار است. در حال حاضر، روش ریفرمینگ حرارتی رویکرد صنعتی اصلی برای اصلاح ... شیشه کوارتز محصولات. این شامل گرم کردن شیشه کوارتز تا نقطه نرم شدن آن و سپس تغییر شکل آن با توجه به نیازهای عملی است.

لوله شیشه ای کوارتز مصنوعی

با افزایش دما، شیشه کوارتز پیش‌سازه نرم می‌شود و به آن اجازه می‌دهد تا توسط یک دستگاه کشش به سمت پایین کشیده شود تا میله‌ها یا لوله‌های شیشه کوارتز تشکیل شود. با تنظیم دمای کوره و سرعت کشش، می‌توان میله‌ها یا لوله‌هایی با قطرهای مختلف تولید کرد. چیدمان کویل‌ها و ساختار کوره کوره گرمایش القایی الکترومغناطیسی به طور قابل توجهی بر میدان توزیع دما در داخل کوره تأثیر می‌گذارد. در تولید عملی، کنترل دقیق این میدان دما برای اطمینان از کیفیت محصولات شیشه کوارتز ضروری است.

میله‌های شیشه‌ای کوارتز و لوله‌های شیشه‌ای کوارتز

(قطعات موجود در تصویر: ۱-میله مادر شیشه کوارتزی؛ ۲-المنت حرارتی؛ ۳-میله شیشه کوارتزی؛ ۴-لوله مادر شیشه کوارتزی؛ ۵-سیم‌پیچ القایی؛ ۶-لوله شیشه کوارتزی؛ ۷-تراکتور)