De prestaties van kwarts glas worden voornamelijk beïnvloed door de kwaliteit van de grondstoffen en het productieproces. Als de zuiverheid van de grondstoffen onvoldoende is, kan het geproduceerde kwarts glas een reeks defecten vertonen, waaronder bellen, luchtlijnen, onzuiverheden, hoog hydroxylgehalte en ernstige kristallisatie. Deze problemen kunnen leiden tot ondermaatse prestaties van kwarts glas op verschillende manieren. Als het proces niet strikt wordt gecontroleerd, zullen de defecten in hydroxylgroep, interne spanning, streep en microstructuur ook de prestatie-index van kwarts glas verminderen.
Onzuiverheden in de grondstoffen
Alkalimetaal
Alkalimetalen zoals Li, Na en K hebben een sterke fluxwerking in de structuur van gesmolten kwarts glas, wat leidt tot de vitrificatie en vervorming van kwarts glas bij toepassingen op hoge temperatuur. Ten tweede zullen alkalimetalen de thermische en optische eigenschappen van kwarts glas beïnvloeden, wat op zijn beurt de levensduur van elektrische lichtbronnen en halfgeleiders vermindert. Bovendien kunnen alkalimetalen ook de diëlektrische coëfficiënt en diëlektrisch verlies van kwarts glas verhogen, wat de diëlektrische eigenschappen en mechanische sterkte van kwarts glas beïnvloedt.
Overgangsmetalen
Overgangsmetalen, waaronder Fe, Cr, Mn, Ni en Cu, vertonen een reeks oxidatietoestanden, vaak gemanifesteerd in specifieke kleuren. Dit fenomeen heeft een significante impact op de kwaliteit van gesmolten kwarts glas. Bijvoorbeeld, sporen van overgangsmetalen zullen de geleidbaarheid van gesmolten kwarts glas verminderen, wat een negatieve rol speelt in de betrouwbaarheid en voorspelbaarheid van het instrument. Dit zal ook aanleiding geven tot kleurvlekken of verkleuring bij hoge temperatuur op het oppervlak van het kwarts glas, waardoor de lichttransmissieprestaties worden beïnvloed.
Elementen Al, B, Ti, enz.
Het gehalte aan Al, B en Ti in kwarts is direct gerelateerd aan de geologie van de afzetting. Deze elementen kunnen, wanneer ze aanwezig zijn in het kwartsrooster, sterke chemische bindingen vormen, die de meest uitdagende onzuiverheden zijn om uit het kwarts te verwijderen. Het overmatige gehalte aan deze elementen zal een significante impact hebben op de kristallisatie van kwarts glas, resulterend in de vorming van hard en bros kwarts glas met verminderde sterkte.
Onzuiverheden van insluitsels
Natuurlijk kwarts bevat meestal minerale insluitsels. Vanwege de kleine deeltjesgrootte en de strakke insluiting van de insluitsels binnen kwarts, is het moeilijk om de minerale insluitsels en gesmolten insluitsels te verwijderen door middel van selectie- en smeltmethoden zonder het kwarts kristal zelf te beschadigen. Bovendien wordt de impact van vloeistofinsluitsels op hoogwaardig kwarts ook aangetoond door de aanwezigheid van verschillende metaalionen binnen de vloeistofinsluitsels, wat ook een van de belangrijkste factoren is die de zuiverheid van kwarts beïnvloeden.
Hydroxylgroep
Aangezien onzuiverheden en structuren in kwarts glas de fysische en chemische eigenschappen bepalen, kan de aanwezigheid van hydroxylgroepen in kwarts glas de continuïteit van de kwarts netwerkstructuur veranderen en verder de eigenschappen beïnvloeden. De aanwezigheid van hydroxylgroepen zal ook de chemische stabiliteit, structurele sterkte, hittebestendigheid en optische uniformiteit van kwarts glas verminderen.
De aanwezigheid van hydroxylgroepen zal de fysische en chemische eigenschappen van kwarts glas veranderen
De uitstekende prestaties van kwarts glas zijn voornamelijk afhankelijk van de stabiele tetraëdrische structuur van [SiO4]. Wanneer er een hydroxyl defect is, zal het de Si-O binding in het Si-O-Si netwerk verbreken, waardoor de porositeit van de structuur toeneemt en de chemische stabiliteit, dichtheid en viscositeit van kwarts glas afnemen. Aangezien de aanwezigheid van hydroxylgroepen de flexibiliteit van de Si-O binding vergroot, zal het de Young's modulus (E) en torsiemodulus (G) in kwarts glas verhogen, terwijl het de verzachtingstemperatuur verlaagt en kristallisatie bevordert.
De aanwezigheid van hydroxylgroepen zal de optische eigenschappen van kwarts glas beïnvloeden
In gesmolten kwarts glas geproduceerd door elektrisch smelten, komt de hydroxylgroep voornamelijk uit de vloeistofinsluiting in het hoogwaardig kwarts zand als grondstof. In gesmolten kwarts glas geproduceerd door gasraffinage, komt de hydroxylgroep voornamelijk uit de oxywaterstofvlam, omdat de waterstof en water gemakkelijk kunnen reageren met de zuurstof in siliciumdioxide om de hydroxylgroep te vormen. Het kwarts glas bereid door plasmamelting heeft vaak een hoge zuiverheid en een laag hydroxylgehalte.
Bel
De vloeistofinsluitsels zullen niet volledig barsten tijdens het proces van kwarts smelten, en die vloeistofinsluitsels die niet barsten voor het smelten, zullen bellen vormen in het gesmolten kwarts glas. De hoge viscositeit van gesmolten kwarts maakt de verwijdering van bellen bijzonder uitdagend. Bijgevolg vereist de voorbereiding van kwarts glas de selectie van grondstoffen met een laag onzuiverheidsgehalte, met een beperkt aantal insluitsels of met insluitsels die zijn geëxplodeerd.
De ongelijke verdeling van de deeltjesgrootte binnen het ruwe materiaal zal resulteren in de vorming van bellen en microkernen in het kwarts glas. Bijvoorbeeld, in het smeltproces resulteert het verschil in oppervlakteactiveringsenergie in de voorkeurssmelting van klein-deeltjes kwarts boven groot-deeltjes kwarts. Het gesmolten kwarts zal zich op het oppervlak van het ongesmolten kwarts coaten, waardoor het moeilijk wordt voor de grote deeltjes om volledig te smelten. Dit resulteert in de vorming van defecten op de deeltjes, de creatie van deeltjeskristalkernen en de versnelling van kristallisatie. Bovendien maakt het hoge gasgehalte binnen de opening tussen kleine deeltjes het smeltuitlaatproces uitdagender.
De deeltjesvorm van het ruwe materiaal is ook een van de redenen die de vorming van bellen in kwarts glas beïnvloeden. In het smeltproces van hoogwaardig kwarts zand is het naaldvormige deeltje met een grote lengte gemakkelijk om steigerachtige structuren te vormen, wat resulteert in een gebrek aan gladheid in het materiaal, wat aanleiding geeft tot bellen in glasproducten. Om het optreden van het steigerfenomeen te verminderen en de vloeibaarheid van kwarts zand te verbeteren, is het essentieel dat het kwarts zand korrelig van aard is en een lengte-tot-diameterverhouding vertoont die zo dicht mogelijk bij 1:1 ligt, wat een bolvorm benadert. Daarom moeten de deeltjesgrootteverdeling en deeltjesvorm van het ruwe materiaal strikt worden gecontroleerd.
Over het algemeen kan de slechte kwaliteit van kwarts glas worden toegeschreven aan twee primaire factoren: de zuiverheid van de grondstoffen en het productieproces. Daarom is het noodzakelijk om de prestaties van kwarts glas te verbeteren vanuit twee aspecten: de behandeling van kwarts grondstoffen en de kerntechnologie van kwarts glas productie.
