Die Leistung von Quarzglas wird hauptsächlich von der Qualität der Rohstoffe und dem Herstellungsprozess beeinflusst. Wenn die Reinheit der Rohstoffe unzureichend ist, kann das produzierte Quarzglas eine Reihe von Defekten aufweisen, einschließlich Blasen, Luftlinien, Verunreinigungen, hohem Hydroxylgehalt und starker Kristallisation. Diese Probleme können zu einer minderwertigen Leistung von Quarzglas in verschiedenen Anwendungen führen. Wenn der Prozess nicht streng kontrolliert wird, werden die Defekte in der Hydroxylgruppe, der inneren Spannung, dem Streifen und der Mikrostruktur auch den Leistungsindex von Quarzglas reduzieren.
Verunreinigungen in den Rohstoffen
Alkalimetall
Alkalimetalle wie Li, Na und K haben eine starke Flusswirkung in der Struktur von geschmolzenem Quarzglas, was zur Entglasung und Verformung von Quarzglas bei Hochtemperaturanwendungen führt. Zweitens beeinflussen Alkalimetalle die thermischen und optischen Eigenschaften von Quarzglas, was wiederum die Lebensdauer von elektrischen Lichtquellen und Halbleitern reduziert. Darüber hinaus können Alkalimetalle auch den dielektrischen Koeffizienten und den dielektrischen Verlust von Quarzglas erhöhen, was die dielektrischen Eigenschaften und die mechanische Festigkeit von Quarzglas beeinflusst.
Übergangsmetalle
Übergangsmetalle, einschließlich Fe, Cr, Mn, Ni und Cu, zeigen eine Reihe von Oxidationszuständen, die sich oft in spezifischen Farben manifestieren. Dieses Phänomen hat einen signifikanten Einfluss auf die Qualität von geschmolzenem Quarzglas. Beispielsweise reduzieren Spurenelemente von Übergangsmetallen die Leitfähigkeit von geschmolzenem Quarzglas, was eine negative Rolle in der Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit des Instruments spielt. Dies führt auch zu Farbflecken oder Hochtemperaturverfärbungen auf der Oberfläche des Quarzglases, was seine Lichtdurchlässigkeit beeinträchtigt.
Elemente Al, B, Ti usw.
Der Gehalt an Al, B und Ti in Quarz steht in direktem Zusammenhang mit der Geologie der Lagerstätte. Diese Elemente können, wenn sie im Quarzgitter vorhanden sind, starke chemische Bindungen bilden, die die am schwierigsten zu entfernenden Verunreinigungen aus dem Quarz sind. Der übermäßige Gehalt dieser Elemente hat einen signifikanten Einfluss auf die Kristallisation von Quarzglas, was zur Bildung von hartem und sprödem Quarzglas mit verringerter Festigkeit führt.
Verunreinigungen von Einschlüssen
Natürliches Quarz enthält normalerweise Mineraleinschlüsse. Aufgrund der winzigen Partikelgröße und der engen Einschließung der Einschlüsse im Quarz ist es schwierig, die Mineraleinschlüsse und geschmolzenen Einschlüsse durch Auswahl- und Schmelzverfahren zu entfernen, ohne den Quarzkristall selbst zu beschädigen. Darüber hinaus wird der Einfluss von Fluideinschlüssen auf hochreines Quarz durch das Vorhandensein verschiedener Metallionen innerhalb der Fluideinschlüsse belegt, was auch einer der Hauptfaktoren ist, die die Reinheit von Quarz beeinflussen.
Hydroxylgruppe
Da Verunreinigungen und Strukturen in Quarzglas seine physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmen, kann die Anwesenheit von Hydroxylgruppen im Quarzglas die Kontinuität der Quarznetzwerkstruktur verändern und weiter seine Eigenschaften beeinflussen. Die Anwesenheit von Hydroxylgruppen reduziert auch die chemische Stabilität, strukturelle Festigkeit, Hitzebeständigkeit und optische Gleichmäßigkeit von Quarzglas.
Die Anwesenheit von Hydroxylgruppen wird die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Quarzglas verändern
Die hervorragende Leistung von Quarzglas hängt hauptsächlich von der stabilen tetraedrischen Struktur von [SiO4] ab. Wenn ein Hydroxyldefekt vorliegt, wird die Si-O-Bindung im Si-O-Si-Netzwerk gebrochen, wodurch die Porosität der Struktur erhöht, die chemische Stabilität, Dichte und Viskosität von Quarzglas reduziert wird. Da die Anwesenheit von Hydroxylgruppen die Flexibilität der Si-O-Bindung erhöht, wird sie den Young'schen Modul (E) und den Torsionsmodul (G) in Quarzglas erhöhen, während sie seine Erweichungstemperatur reduziert und die Kristallisation fördert.
Die Anwesenheit von Hydroxylgruppen beeinflusst die optischen Eigenschaften von Quarzglas
In geschmolzenem Quarzglas, das durch elektrisches Schmelzen hergestellt wird, stammt die Hydroxylgruppe hauptsächlich aus dem Fluideinschluss im hochreinen Quarzsand als Rohmaterial. In geschmolzenem Quarzglas, das durch Gasraffination hergestellt wird, stammt die Hydroxylgruppe hauptsächlich aus der Oxywasserstoffflamme, da Wasserstoff und Wasser leicht mit dem Sauerstoff in Siliziumdioxid reagieren können, um die Hydroxylgruppe zu bilden. Das durch Plasmaschmelzen hergestellte Quarzglas hat oft eine hohe Reinheit und einen niedrigen Hydroxylgehalt.
Blase
Die Fluideinschlüsse werden während des Quarzschmelzprozesses nicht vollständig platzen, und die Fluideinschlüsse, die vor dem Schmelzen nicht platzen, bilden Blasen im geschmolzenen Quarzglas. Die hohe Viskosität von geschmolzenem Quarz macht die Entfernung von Blasen besonders herausfordernd. Folglich erfordert die Herstellung von Quarzglas die Auswahl von Rohstoffen mit einem niedrigen Verunreinigungsgehalt, mit einer begrenzten Anzahl von Einschlüssen oder mit Einschlüssen, die explodiert sind.
Die ungleichmäßige Verteilung der Partikelgröße im Rohmaterial führen zur Bildung von Blasen und Mikrokernen im Quarzglas. Zum Beispiel führt im Schmelzprozess der Unterschied in der Oberflächenaktivierungsenergie dazu, dass kleineres Quarzpartikel bevorzugt schmilzt als größeres Quarzpartikel. Das geschmolzene Quarz wird die Oberfläche des ungeschmolzenen Quarzes beschichten, was es schwierig macht, dass die großen Partikel vollständig schmelzen. Dies führt zur Bildung von Defekten an den Partikeln, zur Schaffung von Partikelkristallkernen und zur Beschleunigung der Kristallisation. Darüber hinaus macht der hohe Gasgehalt in den Lücken zwischen kleinen Partikeln den Schmelzabgasprozess schwieriger.
Der PartikelformDer Rohstoff ist auch einer der Gründe, die die Bildung von Blasen in Quarzglas beeinflussen. Im Schmelzprozess von hochreinem Quarzsand bildet das nadelförmige Partikel mit großer Länge leicht gerüstartige Strukturen, was zu einem Mangel an Glätte im Material führt und Blasen in Glasprodukten entstehen lässt. Um das Auftreten des Gerüstphänomens zu reduzieren und die Fließfähigkeit von Quarzsand zu verbessern, ist es wichtig, dass der Quarzsand körnig ist und ein Längen-Durchmesser-Verhältnis so nah wie möglich bei 1:1 aufweist, was einer kugelförmigen Form entspricht. Daher müssen die Partikelgrößenverteilung und die Partikelform des Rohmaterials streng kontrolliert werden.
Im Allgemeinen kann die schlechte Qualität von Quarzglas auf zwei Hauptfaktoren zurückgeführt werden: die Reinheit der Rohstoffe und den Herstellungsprozess. Daher ist es notwendig, die Leistung von Quarzglas aus zwei Aspekten zu verbessern: die Behandlung von Quarzrohstoffen und die Kerntechnologie der Quarzglasproduktion.
