Wat zijn de belangrijkste chemische componenten van kwartsglasstaven?

De belangrijkste chemische component van kwartsglasstaven is siliciumdioxide (SiO₂), waarvan de zuiverheid gewoonlijk boven de 99,9% ligt, en hoogzuiver kwartsglas kan zelfs 99,9999% bereiken (6N-kwaliteit).

1. Moleculaire structuur van siliciumdioxide (SiO₂)
De fundamentele reden waarom kwartsglasstaven uitstekende fysische en chemische eigenschappen hebben, is de speciale moleculaire structuur van siliciumdioxide. In tegenstelling tot gewoon glas vertoont de microstructuur van kwartsglas een zeer stabiel netwerkachtig kenmerk, dat rechtstreeks de thermische, optische en mechanische eigenschappen van het materiaal bepaalt.

Op atomair niveau is de structurele basiseenheid van siliciumdioxide de silicium-zuurstoftetraëder. In deze structuur bevindt zich een siliciumatoom in het midden en zijn vier zuurstofatomen gelijkmatig verdeeld over de hoekpunten van de tetraëder. Elk zuurstofatoom vormt een sterke covalente binding met het centrale siliciumatoom. Deze verbindingsmethode heeft een extreem hoge bindingsenergie, waardoor de gehele constructie uiterst stabiel is.

Het is vooral opmerkelijk dat elk zuurstofatoom gewoonlijk een brug vormt met twee siliciumatomen, waardoor aangrenzende silicium-zuurstof-tetraëders met elkaar worden verbonden om een ​​continue driedimensionale netwerkstructuur te vormen. Deze unieke verbindingsmodus zorgt ervoor dat kwartsglas een uitstekende mechanische sterkte en chemische stabiliteit heeft.

Het meest opvallende structurele kenmerk van kwartsglas is het amorfe karakter ervan. Hoewel de rangschikking van silicium-zuurstoftetraëders in het lokale gebied ordelijk blijft, is de ruimtelijke rangschikking van deze tetraëders op macroscopische schaal volledig verstoord. Dit structurele kenmerk zorgt ervoor dat kwartsglas isotroop is qua fysische eigenschappen, dat wil zeggen dat de eigenschappen niet veranderen met de meetrichting.

Vergeleken met kristallijn kwarts zorgt de amorfe structuur ervoor dat kwartsglas geen duidelijk smeltpunt heeft, maar geleidelijk zacht wordt tijdens verhitting, wat van groot belang is in praktische toepassingen.

Door kwartsglas te vergelijken met kristallijn kwarts kunnen de structurele kenmerken ervan beter worden begrepen. De silicium-zuurstoftetraëders in kristallijn kwarts zijn gerangschikt volgens strikte hexagonale kristalsysteemregels om een ​​geordende kristalstructuur over lange afstanden te vormen. Deze ordelijke opstelling zorgt ervoor dat kristallijn kwarts anisotropie vertoont, zoals het beroemde fenomeen van dubbele breking. Kwartsglas mist deze lange-afstandsorde echter en produceert geen dubbele breking, wat het een uniek voordeel geeft bij optische toepassingen.

De bijzondere structuur van silica bepaalt direct de belangrijkste eigenschappen van kwartsglas. Ten eerste maakt de continue driedimensionale netwerkstructuur het materiaal extreem transparant en kan het een uitstekende transmissie van ultraviolette naar infrarode banden behouden. Ten tweede kan het netwerk dat bestaat uit sterke covalente bindingen effectief weerstand bieden aan de maatveranderingen die worden veroorzaakt door temperatuurveranderingen, waardoor het materiaal een extreem lage thermische uitzettingscoëfficiënt krijgt. Bovendien zorgen de stabiele silicium-zuurstofbindingen ervoor dat kwartsglas inert is voor de meeste chemicaliën en alleen wordt gecorrodeerd door fluorwaterstofzuur en sterke alkaliën.

In praktische toepassingen kunnen zelfs sporen van onzuiverheidselementen een aanzienlijk effect hebben op de netwerkstructuur van silica. Wanneer aluminiumionen bijvoorbeeld siliciumionen vervangen en het netwerk binnendringen, zullen structurele defecten worden veroorzaakt, wat resulteert in een afname van de ultraviolette transmissie van het materiaal. Op dezelfde manier zal de introductie van alkalimetaalionen het silicium-zuurstofbindingsnetwerk onderbreken en de hoge temperatuurbestendigheid van het materiaal aanzienlijk verminderen. Daarom moet bij hoogwaardige toepassingen de zuiverheid van de grondstoffen strikt worden gecontroleerd om de integriteit van de silicanetwerkstructuur te garanderen.

2. Het verschil tussen kwartsglasstaaf en andere glasmaterialen
Vanuit de basissamenstelling van het materiaal, kwarts glazen staaf bestaat vrijwel geheel uit zuiver siliciumdioxide. Door deze extreem hoge zuiverheid vormt het een continu en uniform driedimensionaal netwerk in de microstructuur. Gewoon glas, zoals natronkalkglas, is daarentegen veel complexer van samenstelling en bevat naast siliciumdioxide een grote hoeveelheid gemodificeerde oxiden.

Hoewel deze toegevoegde componenten de verwerkingsprestaties van gewoon glas verbeteren, veranderen ze ook fundamenteel de essentiële eigenschappen van het materiaal. Borosilicaatglas, een ander veel voorkomend type, heeft een samenstelling tussen deze twee, en een relatief evenwichtige prestatie wordt verkregen door het toevoegen van booroxide.

In termen van thermische eigenschappen vertonen kwartsglasstaven een uitstekende stabiliteit. Dankzij de zuivere siliciumdioxidestructuur en de sterke silicium-zuurstofbindende kracht is kwartsglas bestand tegen extreem hoge temperaturen zonder verzachting en vervorming. Deze eigenschap maakt het een ideale keuze voor experimenten bij hoge temperaturen en industriële toepassingen.

Gewoon glas begint bij relatief lage temperaturen zacht te worden, wat het gebruik ervan in omgevingen met hoge temperaturen ernstig beperkt. Hoewel borosilicaatglas tot op zekere hoogte de hittebestendigheid heeft verbeterd, kan het nog steeds niet het niveau van kwartsglas bereiken.

Kwartsglazen staafjes hebben door hun zeer zuivere samenstelling en uniforme structuur uiterst uitstekende lichttransmissie-eigenschappen. Het kan niet alleen zichtbaar licht overbrengen, maar ook ultraviolette en infrarode stralen soepel laten passeren. Dit breedbandige lichttransmissievermogen is voor andere glasmaterialen moeilijk te bereiken.

Gewoon glas bevat verschillende metaalionen en onzuiverheden, wat een zeer duidelijk blokkerend effect heeft op ultraviolette straling, waardoor het kwartsglas volledig niet kan vervangen in toepassingen die ultraviolette transmissie vereisen. Hoewel de optische eigenschappen van borosilicaatglas beter zijn dan die van gewoon glas, is de lichttransmissie in het ultraviolette gebied nog steeds lager dan die van kwartsglas.

Op het gebied van chemische stabiliteit presteren kwartsglasstaven ook uitstekend. Het heeft een sterke weerstand tegen de meeste zure stoffen en wordt alleen aangetast door enkele zeer corrosieve stoffen zoals fluorwaterstofzuur. Door deze uitstekende corrosieweerstand wordt het veel gebruikt in de chemische industrie. De chemische stabiliteit van gewoon glas is relatief slecht, vooral in alkalische omgevingen. Hoewel de chemische bestendigheid van borosilicaatglas is verbeterd, is het nog steeds niet vergelijkbaar met kwartsglas.

Vanuit microscopisch perspectief is een ander belangrijk kenmerk van kwartsglas de extreem lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Dit betekent dat de grootte van kwartsglas nauwelijks significant verandert als de temperatuur verandert. Deze eigenschap maakt het onvervangbaar in optische precisie-instrumenten en omgevingen met drastische temperatuurveranderingen. Gewoon glas heeft een veel grotere thermische uitzetting, wat bij temperatuurschommelingen spanningen en zelfs barsten kan veroorzaken. Borosilicaatglas vermindert de thermische uitzetting door een speciale samenstellingsformule, maar presteert nog steeds niet zo goed als kwartsglas.

In daadwerkelijke toepassingsscenario's bepalen deze prestatieverschillen rechtstreeks de toepasselijke velden van verschillende glasmaterialen. Kwartsglasstaven worden veel gebruikt in hoogwaardige gebieden zoals de productie van halfgeleiders, precisie-optica en experimenten bij hoge temperaturen vanwege hun uitstekende uitgebreide prestaties.

Gewoon glas wordt voornamelijk gebruikt in dagelijkse benodigdheden en in de bouwsector. De voordelen zijn lage kosten en eenvoudige verwerking. Borosilicaatglas heeft zijn eigen marktpositie gevonden en wordt gebruikt in laboratoriumgerei en enkele speciale lampen.

3. Productieproces van kwartsglasstaven
De productie van kwartsglasstaven is een complex proces dat materiaalkunde, hogetemperatuurtechnologie en precisieverwerking integreert. De kern ligt in het omzetten van silica-grondstoffen in staafvormige producten met specifieke prestatie- en maatvereisten. Het gehele productieproces kan worden onderverdeeld in vier hoofdfasen: grondstofverwerking, smeltgieten, trekgieten en nabewerking. Elke fase vereist strikte controle om de kwaliteit van het eindproduct te garanderen.

(1). Voorbereiding en voorbehandeling van grondstoffen
De eerste schakel in de productie van kwartsglas is de selectie en zuivering van grondstoffen. Afhankelijk van de eisen van de productkwaliteit kunnen natuurlijk kwartszand of synthetisch silica als grondstoffen worden geselecteerd. Voor kwartsstaven met hoge zuiverheidseisen wordt meestal synthetisch silica gebruikt, bereid door chemische dampafzetting, en de zuiverheid ervan kan meer dan 99,9999% bereiken.

De grondstoffen moeten meerdere zuiveringsprocessen ondergaan voordat ze het smeltproces ingaan: eerst wordt beitsen gebruikt om metaalverontreinigingen te verwijderen, vervolgens wordt een chloreringsbehandeling bij hoge temperatuur uitgevoerd voor verdere zuivering en ten slotte wordt precisiescreening gebruikt om een ​​uniforme deeltjesgrootte te garanderen. De verwerkingskwaliteit in dit stadium heeft rechtstreeks invloed op de optische eigenschappen en thermische stabiliteit van het eindproduct.

(2). Smeltproces op hoge temperatuur
Smelten is de kern van de productie van kwartsglas. Momenteel worden in de industrie voornamelijk drie smelttechnologieën gebruikt:

Elektrisch smelten is het meest traditionele productieproces. In een vacuüm- of inertgasbeschermingsomgeving wordt het kwartszand gesmolten door een hoge temperatuurboog die wordt gegenereerd door een grafietelektrode. Deze methode vereist relatief lage investeringen in apparatuur en is geschikt voor de productie van grote kwartsstaven, maar er kan een kleine hoeveelheid koolstofonzuiverheden in het product achterblijven.

Bij de gasraffinagemethode wordt gebruik gemaakt van een waterstof-zuurstofvlam als warmtebron, waarbij de temperatuur kan oplopen tot boven de 2000°C. Hoogzuiver kwartszand wordt gesmolten in de waterstof-zuurstofvlam, en kwartsglas van extreem hoge zuiverheid kan worden verkregen door de vlamtemperatuur en smelttijd nauwkeurig te regelen. Deze methode is bijzonder geschikt voor de productie van kwartsstaven van optische kwaliteit, maar het energieverbruik is hoog en de productie-efficiëntie relatief laag.

Plasmasmelten is een hoogwaardige technologie die de afgelopen jaren is ontwikkeld. Er wordt gebruik gemaakt van een plasmatoorts om ultrahoge temperaturen (tot 3000°C) te genereren, waardoor de grondstoffen onmiddellijk smelten. Het voordeel van deze methode is dat kwartsglas met ultrahoge zuiverheid kan worden geproduceerd, dat vrijwel vrij is van hydroxyl en andere onzuiverheden, en bijzonder geschikt is voor halfgeleider- en optische vezeltoepassingen, maar de apparatuur is complex en kostbaar.

(3). Vorm- en tekenproces
Het gesmolten kwartsglas moet nauwkeurig worden gegoten om staven te verkrijgen die aan de eisen voldoen. Er zijn twee belangrijke vormmethoden:

Bij de vormgietmethode wordt gesmolten kwarts in een speciale mal geïnjecteerd en de gewenste vorm verkregen door de koelsnelheid nauwkeurig te regelen. Deze methode is geschikt voor het produceren van kwartsstaven met een grote diameter, maar er kan sprake zijn van spanningsconcentratie in het product.

De continue tekenmethode is het meest gebruikte productieproces. Het gesmolten kwarts stroomt uit een speciale lekplaat en wordt met een constante snelheid door een nauwkeurig gecontroleerd tractiesysteem getrokken. Door de treksnelheid en temperatuur aan te passen kunnen verschillende specificaties van producten met diameters variërend van enkele millimeters tot honderden millimeters worden verkregen. De temperatuurgradiënt en afkoelsnelheid moeten tijdens het trekproces nauwkeurig worden gecontroleerd om de maatnauwkeurigheid en interne kwaliteit van de staaf te garanderen.

(4). Precisie-gloeibehandeling
De nieuw gevormde kwartsstaaf moet een strikt gloeiproces ondergaan om interne spanningen te elimineren. Het gloeiproces wordt meestal uitgevoerd in een speciale gloeioven, waarbij de temperatuur wordt geregeld tussen 1100 en 1200 ℃, en de isolatietijd is afhankelijk van de grootte van de staaf. De sleutel is om de koelsnelheid strikt te controleren. Meestal is de koelmethode gesegmenteerd. Het kan enkele dagen duren van de hoge temperatuurzone naar de lage temperatuurzone. Perfect gloeien kan de thermische stabiliteit en mechanische sterkte van de kwartsstaaf aanzienlijk verbeteren.

(5). Nabewerking en afwerking
De gegloeide kwartsstaaf moet ook meerdere precisiebewerkingsprocessen ondergaan:

De bewerking omvat rondslijpen, kopvlakslijpen, enz. om maatnauwkeurigheid en oppervlakteafwerking te garanderen. Voor kwartsstaven met speciale eisen kunnen complexe bewerkingen zoals boren en groefsteken vereist zijn.

Oppervlaktebehandeling is een belangrijke stap om de prestaties te verbeteren, inclusief processen zoals vuurpolijsten en chemisch etsen. Bij vuurpolijsten wordt gebruik gemaakt van een vlam op hoge temperatuur om het oppervlak te microsmelten om een ​​optisch glad oppervlak te verkrijgen; chemisch etsen wordt gebruikt om de verwerkingsschadelaag te verwijderen en de sterkte te verbeteren.

Speciale behandelingen kunnen zijn: UV-straling om de optische eigenschappen te verbeteren, hittebehandeling bij hoge temperatuur om het hydroxylgehalte te verminderen, of oppervlaktecoating om specifieke functies te verbeteren, afhankelijk van de toepassingsvereisten.

6. Kwaliteitsinspectie en -controle
De afgewerkte kwartsstaaf moet een reeks strenge kwaliteitscontroleprocessen ondergaan voordat hij de fabriek verlaat. Deze inspectie-items hebben betrekking op meerdere belangrijke prestatie-indicatoren van het materiaal, zoals optica, fysica, thermische en chemie. Bij de optische prestatietest zullen technici een precisiespectrofotometer gebruiken om de transmissiekarakteristieken van de kwartsstaaf bij verschillende golflengten te meten, waarbij speciale aandacht wordt besteed aan de transmissieprestaties in de ultraviolette en infrarode banden.

Tegelijkertijd zullen laserinterferometers en andere apparatuur worden gebruikt om de uniformiteit van de brekingsindex te detecteren om ervoor te zorgen dat de optische prestaties van de gehele kwartsstaaf aan de ontwerpvereisten voldoen. Deze optische testgegevens zijn cruciaal om te bepalen of de kwarts staaf is geschikt voor optische precisiesystemen.

Detectie van geometrische maatnauwkeurigheid is de basis van kwaliteitscontrole. De inspecteurs zullen uiterst nauwkeurige schuifmaten, micrometers en andere meetinstrumenten gebruiken om de basisafmetingen van de kwartsstaaf te meten, zoals diameter, lengte en rondheid. Voor veeleisende toepassingen kan ook een driecoördinatenmeetmachine worden gebruikt voor nauwkeurigere dimensionale detectie om ervoor te zorgen dat de geometrische tolerantie van de kwartsstaaf binnen het toegestane bereik wordt geregeld. Deze test houdt rechtstreeks verband met de aanpassingsnauwkeurigheid van de kwartsstaaf in het daaropvolgende montage- en gebruiksproces.

Interne defectinspectie wordt voornamelijk uitgevoerd door professionele testapparatuur. Gebruikelijke methoden zijn onder meer optische microscoopobservatie, röntgenfoutdetectie en ultrasoon testen. Deze detectiemethoden kunnen nauwkeurig de defecten identificeren, zoals bellen, onzuiverheden, scheuren, enz. die zich in de kwartsstaaf kunnen bevinden, en de productkwaliteit bepalen op basis van de grootte, hoeveelheid en verdeling van de defecten. Vooral voor kwartsstaven van optische en halfgeleiderkwaliteit zijn de controlenormen voor interne defecten strenger en vereisen ze meestal helemaal geen zichtbare defecten.

Het testen van thermische prestaties omvat hoofdzakelijk twee belangrijke items: de thermische uitzettingscoëfficiënttest en de thermische schokbestendigheidstest. De thermische uitzettingscoëfficiënttest maakt gebruik van een thermomechanische analysator om de maatveranderingen van de kwartsstaaf bij verschillende temperaturen te meten. De thermische schokbestendigheidstest is bedoeld om de kwartsstaaf snel te schakelen tussen omgevingen met hoge en lage temperaturen om de scheurweerstand te observeren. Deze thermische prestatiegegevens zijn van grote referentiewaarde voor het evalueren van de betrouwbaarheid van kwartsstaven in omgevingen met temperatuurveranderingen.

Bij chemische stabiliteitstests wordt voornamelijk de tolerantie van kwartsstaven in verschillende chemische omgevingen geëvalueerd. Gebruikelijke testmethoden zijn onder meer het onderdompelen van kwartsstaafmonsters in zure en alkalische oplossingen met verschillende concentraties, het observeren van hun oppervlakteveranderingen en het meten van de gewichtsveranderingen en veranderingen in de oppervlakteruwheid voor en na onderdompeling.

Onder hen is de test van de weerstand tegen fluorwaterstofzuur bijzonder belangrijk, omdat kwartsglas bijzonder gevoelig is voor corrosie in een omgeving met fluorwaterstofzuur. Door deze uitgebreide kwaliteitstests kan worden gegarandeerd dat elke kwartsstaaf die vanuit de fabriek wordt verzonden, voldoet aan strenge kwaliteitsnormen en voldoet aan de speciale eisen van verschillende toepassingsscenario's.

7. Toepassingsgebieden van kwartsglasstaven
Op het gebied van de optische techniek spelen kwartsglasstaven een cruciale rol. Vanwege de uitstekende UV-zichtbare-infrarood-breedbandlichttransmissie is het een ideaal materiaal voor de vervaardiging van uiterst nauwkeurige optische componenten. In lasertechnologietoepassingen worden kwartsstaven vaak gebruikt als resonante holtemedia en optische vensters van lasers, vooral in krachtige CO2-lasers, waar kwartsstaven extreem sterke laserenergie kunnen weerstaan ​​zonder schade.

In optische vezelcommunicatiesystemen worden kwartsglasstaven met ultrahoge zuiverheid nauwkeurig getrokken om optische vezelvoorvormen te vormen, die de belangrijkste grondstoffen vormen voor de productie van optische communicatievezels. Bij de vervaardiging van optische instrumenten worden kwartsstaven verwerkt tot verschillende lenzen, prisma's en optische vensters, die veel worden gebruikt in uiterst nauwkeurige optische apparatuur zoals spectrometers en microscopen.

De halfgeleiderindustrie is vooral afhankelijk van kwartsglasstaven. Tijdens het productieproces van wafels worden kwartsstaven gemaakt in verschillende vormen van wafeldragers, diffusiebuizen en reactiekamercomponenten. Deze componenten moeten bestand zijn tegen de hoge temperaturen in het halfgeleiderproductieproces en moeten ervoor zorgen dat er geen verontreinigende onzuiverheden worden geïntroduceerd.

In de geavanceerde extreem-ultraviolette (EUV) lithografietechnologie zijn optische componenten gemaakt van kwartsglas de sleutel geworden tot het bereiken van lithografienauwkeurigheid op nanoniveau vanwege hun extreem lage thermische uitzettingscoëfficiënt en uitstekende optische uniformiteit. Bovendien worden kwartsglasstaven ook veel gebruikt in observatievensters, gastoevoerpijpleidingen en andere delen van halfgeleiderapparatuur vanwege hun chemische inertheid.

De chemische industrie maakt optimaal gebruik van de corrosieweerstand van kwartsglasstaven . In chemische reactoren onder sterk zure omgevingen zijn kwartsobservatievensters lange tijd bestand tegen verschillende sterke zure erosies, behalve fluorwaterstofzuur. Ook corrosieve mediumtoevoerleidingen, roerstaven en andere componenten in de chemische productie zijn vaak gemaakt van kwartsglas.

Het is vooral de moeite waard te vermelden dat kwartsreactievaten bij chemische reactie-experimenten bij hoge temperatuur en hoge druk tegelijkertijd bestand zijn tegen zware temperaturen en chemische omgevingen, wat betrouwbare experimentele omstandigheden voor onderzoekers oplevert. Kwartsglas presteert bij deze toepassingen veel beter dan gewoon glas en de meeste metalen materialen.

De laatste jaren worden kwartsglasmaterialen steeds vaker gebruikt op medisch en gezondheidsgebied. Op het gebied van medische apparatuur worden kwartsstaven gebruikt voor de vervaardiging van optische transmissiecomponenten van endoscopen, lichtgeleidende elementen van laserchirurgische instrumenten, enz. De uitstekende biocompatibiliteit zorgt ervoor dat deze instrumenten veilig kunnen worden gebruikt voor menselijke behandelingen.

In ultraviolette desinfectieapparatuur worden kwartsglasstaven met hoge doorlaatbaarheid gebruikt als lampmateriaal om de sterilisatie-efficiëntie te maximaliseren. Bovendien zorgen optische kwartselementen in sommige medische precisietestinstrumenten voor de nauwkeurigheid van de testresultaten.

De vraag naar kwartsglasstaven op het gebied van wetenschappelijk onderzoek en experiment is ook sterk. Bij experimenten met hoge energiefysica worden kwartsstaven gebruikt als belangrijke componenten van Cherenkov-stralingsdetectoren. In materiaalwetenschappelijk onderzoek bieden kwartskroezen en reactievaten een ideale omgeving voor materiaalsynthese bij hoge temperaturen.

Op het gebied van de ruimtewetenschap maakt de stralingsweerstand van kwartsglas het tot het voorkeursmateriaal voor optische systemen van ruimtevaartuigen. Deze hoogwaardige wetenschappelijke onderzoekstoepassingen stellen vaak extreme eisen aan materiaaleigenschappen, en kwartsglasstaven kunnen deze taak altijd uitstekend uitvoeren.