Apakah komponen kimia utama rod kaca kuarza?

Komponen kimia utama dari Batang kaca kuarza adalah silikon dioksida (SIO₂), yang kesuciannya biasanya melebihi 99.9%, dan kaca kuarza kemelut tinggi bahkan dapat mencapai 99.9999% (gred 6n).

1. Struktur molekul silikon dioksida (SIO₂)
Alasan asas mengapa rod kaca kuarza mempunyai sifat fizikal dan kimia yang sangat baik adalah struktur molekul khas silikon dioksida. Tidak seperti kaca biasa, mikrostruktur kaca kuarza membentangkan ciri seperti rangkaian yang sangat stabil, yang secara langsung menentukan sifat terma, optik dan mekanikal bahan.

Di peringkat atom, unit struktur asas silikon dioksida adalah tetrahedron silikon-oksigen. Dalam struktur ini, atom silikon terletak di tengah, dan empat atom oksigen diedarkan sama rata di simpul tetrahedron. Setiap atom oksigen membentuk ikatan kovalen yang kuat dengan atom silikon pusat. Kaedah ikatan ini mempunyai tenaga ikatan yang sangat tinggi, menjadikan keseluruhan struktur sangat stabil.

Adalah penting bahawa setiap atom oksigen biasanya membentuk jambatan dengan dua atom silikon, dengan itu menghubungkan tetrahedrons silikon-oksigen bersebelahan untuk membentuk struktur rangkaian tiga dimensi yang berterusan. Mod sambungan unik ini menyediakan kaca kuarza dengan kekuatan mekanikal yang sangat baik dan kestabilan kimia.

Ciri struktur yang paling ketara dari kaca kuarza adalah sifat amorf. Walaupun susunan tetrahedrons silikon-oksigen dalam julat tempatan tetap teratur, susunan spatial tetrahedrons ini benar-benar bercelaru dari skala makroskopik. Ciri struktur ini menjadikan kaca kuarza adalah isotropik dalam sifat fizikal, iaitu sifatnya tidak berubah dengan arah pengukuran.

Berbanding dengan kuarza kristal, struktur amorf menyebabkan kaca kuarza tidak mempunyai titik lebur yang jelas, tetapi secara beransur -ansur melembutkan semasa pemanasan, yang sangat penting dalam aplikasi praktikal.

Membandingkan kaca kuarza dengan kuarza kristal dapat lebih jelas memahami ciri -ciri strukturnya. Tetrahedrons silikon-oksigen dalam kuarza kristal disusun mengikut peraturan sistem kristal heksagon yang ketat untuk membentuk struktur kristal yang diperintahkan jarak jauh. Susunan teratur ini menjadikan kuarza kristal mempamerkan anisotropi, seperti fenomena birefringence yang terkenal. Walau bagaimanapun, kaca kuarza tidak mempunyai urutan jarak jauh ini dan tidak menghasilkan birefringence, yang memberikan kelebihan unik dalam aplikasi optik.

Struktur khas silika secara langsung menentukan sifat utama kaca kuarza. Pertama, struktur rangkaian tiga dimensi yang berterusan menjadikan bahan itu sangat telus, dan ia dapat mengekalkan transmisi yang sangat baik dari ultraviolet ke band inframerah. Kedua, rangkaian yang terdiri daripada ikatan kovalen yang kuat dapat menahan perubahan dimensi yang disebabkan oleh perubahan suhu, memberikan bahan pekali pengembangan haba yang sangat rendah. Tambahan pula, ikatan silikon-oksigen yang stabil menjadikan kaca kuarza tidak aktif dengan kebanyakan bahan kimia dan hanya akan ditanam oleh asid hidrofluorik dan alkali yang kuat.

Dalam aplikasi praktikal, walaupun mengesan jumlah unsur -unsur kekotoran boleh memberi kesan yang signifikan ke atas struktur rangkaian silika. Sebagai contoh, apabila ion aluminium menggantikan ion silikon dan masukkan rangkaian, kecacatan struktur akan disebabkan, mengakibatkan penurunan dalam transmisi ultraviolet bahan. Begitu juga, pengenalan ion logam alkali akan mengganggu rangkaian ikatan silikon-oksigen dan dengan ketara mengurangkan rintangan suhu tinggi bahan. Oleh itu, dalam aplikasi berprestasi tinggi, kesucian bahan mentah mesti dikawal ketat untuk memastikan integriti struktur rangkaian silika.

2. Perbezaan antara batang kaca kuarza dan bahan kaca lain
Dari komposisi asas bahan, Batang kaca kuarza hampir sepenuhnya terdiri daripada silikon dioksida tulen. Kesucian yang sangat tinggi ini menjadikannya membentuk rangkaian tiga dimensi yang berterusan dan seragam dalam mikrostruktur. Sebaliknya, kaca biasa seperti kaca soda-limau jauh lebih kompleks dalam komposisi, dan mengandungi sejumlah besar oksida yang diubah suai selain silikon dioksida.

Walaupun komponen tambahan ini meningkatkan prestasi pemprosesan kaca biasa, mereka juga secara asasnya mengubah sifat -sifat penting bahan tersebut. Kaca borosilikat, sebagai satu lagi jenis biasa, mempunyai komposisi antara kedua -dua, dan prestasi yang agak seimbang diperoleh dengan menambah boron oksida.

Dari segi sifat terma, batang kaca kuarza menunjukkan kestabilan yang sangat baik. Oleh kerana struktur silikon dioksida tulen dan daya ikatan silikon-oksigen yang kuat, kaca kuarza dapat menahan suhu tinggi yang melampau tanpa melembutkan dan ubah bentuk. Harta ini menjadikannya pilihan yang ideal untuk eksperimen suhu tinggi dan aplikasi perindustrian.

Kaca biasa mula melembutkan pada suhu yang agak rendah, yang sangat mengehadkan penggunaannya dalam persekitaran suhu tinggi. Walaupun kaca borosilicate telah meningkatkan rintangan haba ke tahap tertentu, ia masih tidak dapat mencapai tahap kaca kuarza.

Batang kaca kuarza mempunyai ciri -ciri penghantaran cahaya yang sangat baik kerana komposisi dan struktur seragam mereka yang sangat tulen. Ia bukan sahaja boleh menghantar cahaya yang kelihatan, tetapi juga membolehkan sinaran ultraviolet dan inframerah lancar lancar. Keupayaan penghantaran cahaya lebar ini sukar untuk dicapai oleh bahan kaca lain.

Kaca biasa mengandungi pelbagai ion logam dan kekotoran, yang mempunyai kesan menyekat yang sangat jelas pada sinar ultraviolet, yang menjadikannya tidak dapat menggantikan kaca kuarza dalam aplikasi yang memerlukan transmisi ultraviolet. Walaupun sifat optik kaca borosilicate lebih baik daripada kaca biasa, transmisi cahaya di rantau ultraviolet masih lebih rendah daripada kaca kuarza.

Dari segi kestabilan kimia, rod kaca kuarza juga melakukan yang luar biasa. Ia mempunyai rintangan yang kuat terhadap kebanyakan bahan asid dan hanya akan ditanam oleh beberapa bahan yang sangat menghakis seperti asid hidrofluorik. Rintangan kakisan yang sangat baik ini menjadikannya digunakan secara meluas dalam industri kimia. Kestabilan kimia kaca biasa agak miskin, terutamanya dalam persekitaran alkali. Walaupun rintangan kimia kaca borosilicate telah diperbaiki, ia masih tidak setanding dengan kaca kuarza.

Dari perspektif mikroskopik, satu lagi ciri penting kaca kuarza adalah pekali pengembangan terma yang sangat rendah. Ini bermakna saiz kaca kuarza tidak berubah dengan ketara apabila suhu berubah. Harta ini menjadikannya tidak dapat diganti dalam instrumen optik ketepatan dan persekitaran dengan perubahan suhu drastik. Kaca biasa mempunyai pengembangan haba yang lebih besar, yang boleh menyebabkan tekanan dan bahkan retak apabila suhu turun naik. Kaca borosilicate mengurangkan pengembangan haba melalui formula komposisi khas, tetapi ia masih tidak berfungsi serta kaca kuarza.

Dalam senario aplikasi sebenar, perbezaan prestasi ini secara langsung menentukan bidang bahan kaca yang berbeza. Batang kaca kuarza digunakan secara meluas dalam bidang mewah seperti pembuatan semikonduktor, optik ketepatan, dan eksperimen suhu tinggi kerana prestasi komprehensif mereka yang sangat baik.

Kaca biasa digunakan terutamanya dalam keperluan harian dan bidang pembinaan. Kelebihannya adalah kos rendah dan pemprosesan mudah. Borosilicate Glass telah menemui kedudukan pasarannya sendiri dan digunakan dalam peralatan makmal dan beberapa lampu khas.

3. Proses Pengeluaran Kaca Kuarsa Kuarsa
Pengeluaran Batang kaca kuarza adalah proses kompleks yang mengintegrasikan sains bahan, teknologi suhu tinggi dan pemprosesan ketepatan. Inti terletak pada cara menukar bahan mentah silika ke dalam produk berbentuk rod dengan keperluan prestasi dan saiz tertentu. Seluruh proses pengeluaran boleh dibahagikan kepada empat peringkat utama: pemprosesan bahan mentah, mencairkan pencetakan, melukis pencetakan dan pemprosesan pasca. Setiap peringkat memerlukan kawalan ketat untuk memastikan kualiti produk akhir.

(1). Penyediaan bahan mentah dan pretreatment
Pautan pertama dalam pengeluaran kaca kuarza adalah pemilihan dan pemurnian bahan mentah. Menurut keperluan gred produk, pasir kuarza semulajadi atau silika sintetik boleh dipilih sebagai bahan mentah. Untuk batang kuarza dengan keperluan kesucian yang tinggi, silika sintetik yang disediakan oleh pemendapan wap kimia biasanya digunakan, dan kesuciannya dapat mencapai lebih dari 99.9999%.

Bahan mentah perlu menjalani pelbagai proses pembersihan sebelum memasuki proses lebur: Pertama, acar digunakan untuk menghilangkan kekotoran logam, maka rawatan klorinasi suhu tinggi dijalankan untuk penyucian lanjut, dan akhirnya pemeriksaan ketepatan digunakan untuk memastikan saiz zarah seragam. Kualiti pemprosesan pada tahap ini secara langsung mempengaruhi sifat optik dan kestabilan terma produk akhir.

(2). Proses lebur suhu tinggi
Pencairan adalah pautan teras pengeluaran kaca kuarza. Pada masa ini, tiga teknologi lebur digunakan terutamanya dalam industri:

Pencairan elektrik adalah proses pengeluaran yang paling tradisional. Dalam persekitaran perlindungan gas vakum atau lengai, pasir kuarza dicairkan oleh arka suhu tinggi yang dihasilkan oleh elektrod grafit. Kaedah ini mempunyai pelaburan peralatan yang agak rendah dan sesuai untuk pengeluaran batang kuarza bersaiz besar, tetapi sedikit kekotoran karbon mungkin kekal dalam produk.

Kaedah penapisan gas menggunakan api hidrogen-oksigen sebagai sumber haba, dan suhu dapat mencapai melebihi 2000 ° C. Pasir kuarza kemelut tinggi dicairkan dalam api hidrogen-oksigen, dan kaca kuarza yang sangat tinggi dapat diperoleh dengan tepat mengawal suhu api dan masa lebur. Kaedah ini amat sesuai untuk pengeluaran rod kuarza optik, tetapi penggunaan tenaga adalah tinggi dan kecekapan pengeluarannya agak rendah.

Plasma Melting adalah teknologi mewah yang dibangunkan pada tahun-tahun kebelakangan ini. Ia menggunakan obor plasma untuk menjana suhu ultra tinggi (sehingga 3000 ° C) untuk mencairkan bahan mentah dengan serta-merta. Kelebihan kaedah ini ialah ia dapat menghasilkan kaca kuarza kesucian ultra tinggi, yang hampir bebas daripada hidroksil dan kekotoran lain, dan sangat sesuai untuk aplikasi semikonduktor dan optik, tetapi peralatannya kompleks dan mahal.

(3). Proses membentuk dan melukis
Kaca kuarza cair perlu dibentuk dengan tepat untuk mendapatkan rod yang memenuhi keperluan. Terdapat dua kaedah pencetakan utama:

Kaedah pengacuan acuan menyuntik kuarza cair ke dalam acuan khas dan memperoleh bentuk yang dikehendaki dengan mengawal kadar penyejukan dengan tepat. Kaedah ini sesuai untuk menghasilkan rod kuarza diameter besar, tetapi mungkin terdapat kepekatan tekanan di dalam produk.

Kaedah lukisan berterusan adalah proses pengeluaran yang paling biasa digunakan. Kuarza cair mengalir keluar dari plat kebocoran khas dan ditarik pada kelajuan malar melalui sistem daya tarikan yang dikawal dengan tepat. Dengan menyesuaikan kelajuan dan suhu lukisan, spesifikasi produk yang berbeza dengan diameter dari beberapa milimeter hingga beratus -ratus milimeter boleh diperolehi. Kecerunan suhu dan kadar penyejukan perlu dikawal dengan tepat semasa proses lukisan untuk memastikan ketepatan dimensi dan kualiti dalaman batang.

(4). Rawatan Penyepuh Precision
Batang kuarza yang baru terbentuk mesti menjalani proses penyepuhlindapan yang ketat untuk menghapuskan tekanan dalaman. Proses penyepuhlindapan biasanya dijalankan dalam relau penyepala khas, dengan suhu yang dikawal antara 1100-1200 ℃, dan masa penebat bergantung pada saiz rod. Kuncinya adalah untuk mengawal kadar penyejukan dengan ketat. Biasanya, kaedah penyejukan dibahagikan. Ia mungkin mengambil masa beberapa hari dari zon suhu tinggi ke zon suhu rendah. Penyepuh yang sempurna dapat meningkatkan kestabilan haba dan kekuatan mekanikal rod kuarza.

(5). Pasca pemprosesan dan penamat
Batang kuarza anil juga perlu melalui proses pemesinan ketepatan yang banyak:

Pemesinan termasuk pengisaran silinder, pengisaran muka akhir, dan lain -lain untuk memastikan ketepatan dimensi dan kemasan permukaan. Untuk batang kuarsa dengan keperluan khas, pemprosesan kompleks seperti penggerudian dan grooving mungkin diperlukan.

Rawatan permukaan adalah langkah utama untuk meningkatkan prestasi, termasuk proses seperti penggilap kebakaran dan etsa kimia. Penggilap api menggunakan api suhu tinggi untuk mencairkan mikro permukaan untuk mendapatkan permukaan optik licin; Etching kimia digunakan untuk menghilangkan lapisan kerosakan pemprosesan dan meningkatkan kekuatan.

Rawatan khas mungkin termasuk: penyinaran UV untuk meningkatkan sifat optik, rawatan haba suhu tinggi untuk mengurangkan kandungan hidroksil, atau salutan permukaan untuk meningkatkan fungsi tertentu mengikut keperluan permohonan.

6. Pemeriksaan dan kawalan kualiti
Rod kuarza siap perlu melalui satu siri proses pemeriksaan kualiti yang ketat sebelum meninggalkan kilang. Item pemeriksaan ini meliputi pelbagai petunjuk prestasi utama bahan, seperti optik, fizik, terma dan kimia. Dalam ujian prestasi optik, juruteknik akan menggunakan spektrofotometer ketepatan untuk mengukur ciri -ciri transmisi rod kuarza pada panjang gelombang yang berbeza, memberi perhatian khusus kepada prestasi transmisi dalam kumpulan ultraviolet dan inframerah.

Pada masa yang sama, interferometer laser dan peralatan lain akan digunakan untuk mengesan keseragaman indeks biasan untuk memastikan prestasi optik seluruh rod kuarza memenuhi keperluan reka bentuk. Data ujian optik ini penting untuk menentukan sama ada Kuarza kuarza sesuai untuk sistem optik ketepatan.

Pengesanan ketepatan dimensi geometri adalah pautan asas kawalan kualiti. Pemeriksa akan menggunakan calipers ketepatan tinggi, mikrometer dan alat pengukur lain untuk mengukur dimensi asas batang kuarza, seperti diameter, panjang, dan bulat. Untuk aplikasi permintaan tinggi, mesin pengukur tiga koordinat juga boleh digunakan untuk pengesanan dimensi yang lebih tepat untuk memastikan toleransi geometri rod kuarza dikawal dalam julat yang dibenarkan. Ujian ini secara langsung berkaitan dengan ketepatan sepadan dengan rod kuarza dalam proses pemasangan dan penggunaan berikutnya.

Pemeriksaan kecacatan dalaman terutamanya diselesaikan oleh peralatan ujian profesional. Kaedah umum termasuk pemerhatian mikroskop optik, pengesanan kecacatan sinar-X dan ujian ultrasonik. Kaedah pengesanan ini dapat mengenal pasti kecacatan dengan tepat seperti gelembung, kekotoran, retak, dan lain -lain yang mungkin wujud di dalam rod kuarza, dan menentukan gred produk mengikut saiz, kuantiti dan pengedaran kecacatan. Terutama untuk rod kuarza gred optik dan semikonduktor, piawaian kawalan untuk kecacatan dalaman lebih ketat, dan biasanya tidak memerlukan kecacatan yang kelihatan sama sekali.

Ujian prestasi terma terutamanya termasuk dua perkara penting: ujian pekali pengembangan haba dan ujian rintangan kejutan haba. Ujian pekali pengembangan haba menggunakan penganalisis termomekanik untuk mengukur perubahan dimensi batang kuarza pada suhu yang berbeza. Ujian rintangan kejutan haba adalah dengan cepat menukar rod kuarza antara persekitaran suhu tinggi dan rendah untuk melihat rintangan retaknya. Data prestasi terma ini mempunyai nilai rujukan yang besar untuk menilai kebolehpercayaan rod kuarza dalam persekitaran perubahan suhu.

Ujian kestabilan kimia terutamanya menilai toleransi rod kuarza dalam pelbagai persekitaran kimia. Kaedah ujian biasa termasuk menenggelamkan sampel rod kuarza dalam penyelesaian asid dan alkali kepekatan yang berbeza, memerhatikan perubahan permukaannya, dan mengukur perubahan berat badan dan perubahan kekasaran permukaan sebelum dan selepas rendaman.

Antaranya, ujian rintangan terhadap asid hidrofluorik sangat penting, kerana kaca kuarza sangat mudah terdedah kepada kakisan dalam persekitaran asid hidrofluorik. Melalui ujian kualiti yang komprehensif ini, dapat dipastikan bahawa setiap rod kuarza dihantar dari kilang memenuhi piawaian kualiti yang ketat dan memenuhi keperluan khas senario aplikasi yang berbeza.

7. Bidang Permohonan Batang kaca kuarza
Dalam bidang kejuruteraan optik, rod kaca kuarza memainkan peranan penting. Oleh kerana transmisi cahaya penuh UV-Visible-inframerah yang sangat baik, ia adalah bahan yang ideal untuk pembuatan komponen optik ketepatan tinggi. Dalam aplikasi teknologi laser, rod kuarza sering digunakan sebagai media rongga resonan dan tingkap optik laser, terutamanya dalam laser CO2 kuasa tinggi, di mana rod kuarza dapat menahan tenaga laser yang sangat kuat tanpa kerosakan.

Dalam sistem komunikasi serat optik, rod kaca kuarza kesucian ultra tinggi tepat ditarik untuk membentuk preforms serat optik, yang merupakan bahan mentah teras untuk pembuatan gentian optik komunikasi. Dalam pembuatan instrumen optik, rod kuarza diproses ke dalam pelbagai kanta, prisma dan tingkap optik, yang digunakan secara meluas dalam peralatan optik ketepatan tinggi seperti spektrometer dan mikroskop.

Industri semikonduktor amat bergantung kepada batang kaca kuarza. Semasa proses pembuatan wafer, rod kuarza dibuat ke dalam pelbagai bentuk pembawa wafer, tiub penyebaran dan komponen ruang tindak balas. Komponen ini perlu menahan persekitaran suhu tinggi dalam proses pembuatan semikonduktor, dan mesti memastikan bahawa tiada kekotoran yang mencemarkan diperkenalkan.

Dalam teknologi litografi ultraviolet yang melampau (EUV), komponen optik yang diperbuat daripada kaca kuarza telah menjadi kunci untuk mencapai ketepatan litografi tahap nano kerana pekali pengembangan haba yang sangat rendah dan keseragaman optik yang sangat baik. Di samping itu, rod kaca kuarza juga digunakan secara meluas dalam tingkap pemerhatian, saluran paip penghantaran gas dan bahagian lain peralatan semikonduktor disebabkan oleh ketidaktentuan kimia mereka.

Industri kimia sepenuhnya menggunakan rintangan kakisan Batang kaca kuarza . Dalam reaktor kimia di bawah persekitaran asid yang kuat, tingkap pemerhatian kuarza dapat menahan pelbagai erosi asid yang kuat kecuali asid hidrofluorik untuk masa yang lama. Paip penghantaran sederhana yang menghakis, rod kacau dan komponen lain dalam pengeluaran kimia juga sering dibuat daripada kaca kuarza.

Ia amat bernilai menyebut bahawa dalam eksperimen tindak balas kimia suhu tinggi dan tekanan tinggi, kapal reaksi kuarza dapat menahan suhu yang keras dan persekitaran kimia pada masa yang sama, memberikan keadaan percubaan yang boleh dipercayai untuk penyelidik. Kaca kuarza melakukan jauh lebih baik daripada kaca biasa dan kebanyakan bahan logam dalam aplikasi ini.

Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, bahan -bahan kaca kuarza semakin digunakan dalam bidang perubatan dan kesihatan. Dari segi peralatan perubatan, rod kuarza digunakan untuk mengeluarkan komponen penghantaran optik endoskop, elemen-elemen pencahayaan instrumen pembedahan laser, dan lain-lain. Biokompatibiliti yang sangat baik memastikan bahawa instrumen ini dapat digunakan dengan selamat untuk rawatan manusia.

Dalam peralatan pembasmian ultraviolet, batang kaca kuarza yang tinggi digunakan sebagai bahan lampu untuk memaksimumkan kecekapan pensterilan. Di samping itu, dalam beberapa instrumen ujian perubatan ketepatan, elemen optik kuarza memastikan ketepatan keputusan ujian.

Permintaan untuk Batang kaca kuarza Dalam bidang penyelidikan dan eksperimen saintifik juga kuat. Dalam eksperimen fizik tenaga tinggi, rod kuarza digunakan sebagai komponen penting pengesan radiasi Cherenkov. Dalam penyelidikan sains bahan, kuarza crucibles dan kapal tindak balas menyediakan persekitaran yang ideal untuk sintesis bahan suhu tinggi.

Dalam bidang sains ruang angkasa, rintangan radiasi kaca kuarza menjadikannya bahan pilihan untuk sistem optik kapal angkasa. Aplikasi penyelidikan saintifik mewah ini sering mempunyai keperluan yang melampau untuk sifat-sifat bahan, dan rod kaca kuarza boleh sentiasa melaksanakan tugas dengan baik.