Le prestazioni del vetro di quarzo sono principalmente influenzate dalla qualità delle materie prime e dal processo di produzione. Se la purezza delle materie prime è insufficiente, il vetro di quarzo prodotto può presentare una gamma di difetti, tra cui bolle, linee d'aria, impurità, alto contenuto di idrossile e cristallizzazione severa. Questi problemi possono portare a prestazioni scadenti del vetro di quarzo in vari modi. Se il processo non è strettamente controllato, i difetti nel gruppo idrossile, lo stress interno, le strisce e la microstruttura ridurranno anche l'indice di prestazione del vetro di quarzo.
Impurità nelle materie prime
Metallo alcalino
I metalli alcalini come Li, Na e K hanno una forte azione fondente nella struttura del vetro di quarzo fuso, portando alla devetrificazione e deformazione del vetro di quarzo in applicazioni ad alta temperatura. In secondo luogo, i metalli alcalini influenzeranno le proprietà termiche e ottiche del vetro di quarzo, il che a sua volta riduce la durata dei sorgenti di luce elettrica e dei semiconduttori. Inoltre, i metalli alcalini possono anche aumentare il coefficiente dielettrico e la perdita dielettrica del vetro di quarzo, influenzando le proprietà dielettriche e la resistenza meccanica del vetro di quarzo.
Metalli di transizione
I metalli di transizione, inclusi Fe, Cr, Mn, Ni e Cu, mostrano una gamma di stati di ossidazione, spesso manifestati in colori specifici. Questo fenomeno ha un impatto significativo sulla qualità del vetro di quarzo fuso. Ad esempio, tracce di metalli di transizione ridurranno la conduttività del vetro di quarzo fuso, giocando un ruolo negativo nell'affidabilità e prevedibilità dello strumento. Questo darà anche origine a macchie di colore o scolorimento ad alta temperatura sulla superficie del vetro di quarzo, influenzando così le sue prestazioni di trasmissione della luce.
Elementi Al, B, Ti, ecc.
Il contenuto di Al, B e Ti nel quarzo è direttamente correlato alla geologia del deposito. Questi elementi, quando presenti nel reticolo del quarzo, possono formare legami chimici forti, che sono le impurità più difficili da rimuovere dal quarzo. L'eccessivo contenuto di questi elementi avrà un impatto significativo sulla cristallizzazione del vetro di quarzo, risultando nella formazione di vetro di quarzo duro e fragile con resistenza ridotta.
Impurità delle inclusioni
Il quarzo naturale di solito contiene inclusioni minerali. A causa delle dimensioni minute delle particelle e della stretta chiusura delle inclusioni all'interno del quarzo, è difficile rimuovere le inclusioni minerali e le inclusioni fuse mediante metodi di selezione e fusione senza danneggiare il cristallo di quarzo stesso. Inoltre, l'impatto delle inclusioni fluide sul quarzo ad alta purezza è evidenziato anche dalla presenza di vari ioni metallici all'interno delle inclusioni fluide, che è anche uno dei principali fattori che influenzano la purezza del quarzo.
Gruppo idrossile
Poiché le impurità e le strutture nel vetro di quarzo determinano le sue proprietà fisiche e chimiche, la presenza di gruppi idrossilici nel vetro di quarzo può cambiare la continuità della struttura della rete di quarzo e influenzare ulteriormente le sue proprietà. La presenza di gruppi idrossilici ridurrà anche la stabilità chimica, la resistenza strutturale, la resistenza al calore e l'uniformità ottica del vetro di quarzo.
La presenza di gruppi idrossilici cambierà le proprietà fisiche e chimiche del vetro di quarzo
Le eccellenti prestazioni del vetro di quarzo dipendono principalmente dalla struttura tetraedrica stabile di [SiO4]. Quando c'è un difetto di idrossile, romperà il legame Si-O nella rete Si-O-Si, aumentando così la porosità della struttura, riducendo la stabilità chimica, la densità e la viscosità del vetro di quarzo. Poiché la presenza di gruppi idrossilici aumenta la flessibilità del legame Si-O, aumenterà il modulo di Young (E) e il modulo di torsione (G) nel vetro di quarzo riducendo al contempo la sua temperatura di rammollimento e promuovendo la cristallizzazione.
La presenza di gruppi idrossilici influenzerà le proprietà ottiche del vetro di quarzo
Nel vetro di quarzo fuso prodotto mediante fusione elettrica, il gruppo idrossile proviene principalmente dall'inclusione fluida nella sabbia di quarzo ad alta purezza come materia prima. Nel vetro di quarzo fuso prodotto mediante raffinazione a gas, il gruppo idrossile proviene principalmente dalla fiamma ossidrica, poiché l'idrogeno e l'acqua possono facilmente reagire con l'ossigeno nel biossido di silicio per formare il gruppo idrossile. Il vetro di quarzo preparato mediante fusione al plasma ha spesso alta purezza e basso contenuto di gruppi idrossilici.
Bolla
Le inclusioni fluide non esploderanno completamente durante il processo di fusione del quarzo, e quelle inclusioni fluide che non esplodono prima della fusione formeranno bolle nel vetro di quarzo fuso. L'alta viscosità del quarzo fuso rende particolarmente difficile la rimozione delle bolle. Di conseguenza, la preparazione del vetro di quarzo richiede la selezione di materie prime che presentino un basso contenuto di impurità, con un numero limitato di inclusioni o con inclusioni che sono esplose.
L'irregolare distribuzione delle dimensioni delle particelle all'interno della materia prima risulterà nella formazione di bolle e micro-nuclei nel vetro di quarzo. Ad esempio, nel processo di fusione, la differenza nell'energia di attivazione superficiale risulta nella fusione preferenziale del quarzo a piccole particelle rispetto al quarzo a grandi particelle. Il quarzo fuso si rivestirà sulla superficie del quarzo non fuso, rendendo difficile la fusione completa delle grandi particelle. Questo risulta nella formazione di difetti sulle particelle, nella creazione di nuclei cristallini di particelle e nell'accelerazione della cristallizzazione. Inoltre, l'alto contenuto di gas all'interno del gap tra le piccole particelle rende il processo di esaurimento della fusione più impegnativo.
Il forma delle particelle della materia prima è anche uno dei motivi che influenzano la formazione di bolle nel vetro di quarzo. Nel processo di fusione della sabbia di quarzo ad alta purezza, la particella aciculare con una grande lunghezza è facile da formare strutture simili a impalcature, risultando in una mancanza di scorrevolezza nel materiale, dando origine a bolle nei prodotti di vetro. Per ridurre l'occorrenza del fenomeno di impalcatura e migliorare la fluidità della sabbia di quarzo, è essenziale che la sabbia di quarzo sia granulare in natura e presenti un rapporto lunghezza-diametro il più vicino possibile a 1:1, che approssima una forma sferica. Pertanto, la distribuzione delle dimensioni delle particelle e la forma delle particelle della materia prima devono essere strettamente controllate.
In generale, la scarsa qualità del vetro di quarzo può essere attribuita a due fattori principali: la purezza delle materie prime e il processo di produzione. Pertanto, è necessario migliorare le prestazioni del vetro di quarzo da due aspetti: il trattamento delle materie prime di quarzo e la tecnologia di base della produzione di vetro di quarzo.
