La performance du verre de quartz est principalement influencée par la qualité des matières premières et le processus de fabrication. Si la pureté des matières premières est insuffisante, le verre de quartz produit peut présenter une gamme de défauts, y compris des bulles, des lignes d'air, des impuretés, une teneur élevée en hydroxyle et une cristallisation sévère. Ces problèmes peuvent entraîner une performance inférieure du verre de quartz de diverses manières. Si le processus n'est pas strictement contrôlé, les défauts dans le groupe hydroxyle, le stress interne, les stries et la microstructure réduiront également l'indice de performance du verre de quartz.
Impuretés dans les matières premières
Métal alcalin
Les métaux alcalins tels que Li, Na et K ont une forte action de flux dans la structure du verre de quartz fondu, conduisant à la dévitrification et à la déformation du verre de quartz dans les applications à haute température. Deuxièmement, les métaux alcalins affecteront les propriétés thermiques et optiques du verre de quartz, ce qui réduira à son tour la durée de vie des sources lumineuses électriques et des semi-conducteurs. De plus, les métaux alcalins peuvent également augmenter le coefficient diélectrique et la perte diélectrique du verre de quartz, affectant les propriétés diélectriques et la résistance mécanique du verre de quartz.
Métaux de transition
Les métaux de transition, y compris Fe, Cr, Mn, Ni et Cu, présentent une gamme d'états d'oxydation, souvent manifestés par des couleurs spécifiques. Ce phénomène a un impact significatif sur la qualité du verre de quartz fondu. Par exemple, les métaux de transition en trace réduiront la conductivité du verre de quartz fondu, jouant un rôle négatif dans la fiabilité et la prévisibilité de l'instrument. Cela donnera également lieu à des taches de couleur ou à une décoloration à haute température sur la surface du verre de quartz, affectant ainsi sa performance de transmission de la lumière.
Éléments Al, B, Ti, etc.
La teneur en Al, B et Ti dans le quartz est directement liée à la géologie du gisement. Ces éléments, lorsqu'ils sont présents dans le réseau de quartz, peuvent former des liaisons chimiques fortes, qui sont les impuretés les plus difficiles à éliminer du quartz. La teneur excessive de ces éléments aura un impact significatif sur la cristallisation du verre de quartz, entraînant la formation de verre de quartz dur et cassant avec une résistance réduite.
Les impuretés des inclusions
Le quartz naturel contient généralement des inclusions minérales. En raison de la taille de particule minuscule et de l'enfermement étroit des inclusions dans le quartz, il est difficile de retirer les inclusions minérales et les inclusions fondues par la méthode de sélection et de fusion sans endommager le cristal de quartz lui-même. De plus, l'impact des inclusions fluides sur le quartz de haute pureté est également mis en évidence par la présence de divers ions métalliques dans les inclusions fluides, ce qui est également l'un des principaux facteurs affectant la pureté du quartz.
Groupe hydroxyle
Comme les impuretés et les structures dans le verre de quartz déterminent ses propriétés physiques et chimiques, la présence de groupe hydroxyle dans le verre de quartz peut changer la continuité de la structure du réseau de quartz et influencer davantage ses propriétés. La présence de groupe hydroxyle réduira également la stabilité chimique, la résistance structurelle, la résistance à la chaleur et l'uniformité optique du verre de quartz.
La présence de groupe hydroxyle changera les propriétés physiques et chimiques du verre de quartz
La performance excellente du verre de quartz dépend principalement de la structure tétraédrique stable de [SiO4]. Lorsqu'il y a un défaut d'hydroxyle, il cassera la liaison Si-O dans le réseau Si-O-Si, augmentant ainsi la porosité de la structure, réduisant la stabilité chimique, la densité et la viscosité du verre de quartz. Comme la présence de groupes hydroxyle améliore la flexibilité de la liaison Si-O, elle augmentera le module de Young (E) et le module de torsion (G) dans le verre de quartz tout en réduisant sa température de ramollissement et en favorisant la cristallisation.
La présence de groupe hydroxyle affectera les propriétés optiques du verre de quartz
Dans le verre de quartz fondu produit par fusion électrique, le groupe hydroxyle provient principalement de l'inclusion fluide dans le sable de quartz de haute pureté en tant que matière première. Dans le verre de quartz fondu produit par raffinage au gaz, le groupe hydroxyle provient principalement de la flamme oxyhydrogène, car l'hydrogène et l'eau peuvent facilement réagir avec l'oxygène dans le dioxyde de silicium pour former le groupe hydroxyle. Le verre de quartz préparé par fusion plasma a souvent une haute pureté et un faible groupe hydroxyle.
Bulle
Les inclusions fluides n'éclateront pas complètement pendant le processus de fusion du quartz, et celles qui n'éclatent pas avant la fusion formeront des bulles dans le verre de quartz fondu. La haute viscosité du quartz fondu rend l'élimination des bulles particulièrement difficile. Par conséquent, la préparation du verre de quartz nécessite la sélection de matières premières présentant une faible teneur en impuretés, avec un nombre limité d'inclusions ou avec des inclusions qui ont explosé.
L'inégalité distribution de la taille des particules dans la matière première entraînera la formation de bulles et de micro-noyaux dans le verre de quartz. Par exemple, dans le processus de fusion, la différence d'énergie d'activation de surface entraîne la fusion préférentielle du quartz à petites particules par rapport au quartz à grandes particules. Le quartz fondu se déposera sur la surface du quartz non fondu, rendant difficile la fusion complète des grandes particules. Cela entraîne la formation de défauts sur les particules, la création de noyaux cristallins de particules et l'accélération de la cristallisation. De plus, la haute teneur en gaz dans l'espace entre les petites particules rend le processus d'échappement de fusion plus difficile.
Le forme des particules des matières premières sont également l'une des raisons qui affectent la formation de bulles dans le verre de quartz. Dans le processus de fusion du sable de quartz de haute pureté, la particule aciculaire avec une grande longueur est facile à former des structures en échafaudage, entraînant un manque de fluidité dans le matériau, donnant lieu à des bulles dans les produits en verre. Afin de réduire l'occurrence du phénomène d'échafaudage et d'améliorer la fluidité du sable de quartz, il est essentiel que le sable de quartz soit granulaire par nature et présente un rapport longueur/diamètre aussi proche que possible de 1:1, ce qui s'approche d'une forme sphérique. Par conséquent, la distribution de la taille des particules et la forme des particules des matières premières doivent être strictement contrôlées.
En général, la mauvaise qualité du verre de quartz peut être attribuée à deux facteurs principaux : la pureté des matières premières et le processus de fabrication. Par conséquent, il est nécessaire d'améliorer la performance du verre de quartz à partir de deux aspects : le traitement des matières premières de quartz et la technologie de base de la production de verre de quartz.
