На качество кварцевого стекла в первую очередь влияет качество сырья и производственный процесс. Если чистота сырья недостаточна, то изготовлено кварцевое стекло может иметь ряд дефектов, включая пузырьки, воздушные линии, примеси, высокое содержание гидроксила, и сильной кристаллизации. Эти проблемы могут привести к нестандартной производительности кварцевого стекла различными способами. Если процесс не строго контролируется, дефекты гидроксильной группы, внутреннего напряжения, полосы и микроструктуры также снижают показатель производительности кварцевого стекла.
Примеси в сырье
Щелочь
Щелочные металлы, такие как ли, Na и K, обладают сильным флюсовочным действием в структуре плавленного кварцевого стекла, что приводит к девитрификации и деформации кварцевого стекла в высокотемпературных условиях. Во-вторых, щелочные металлы влияют на тепловые и оптические свойства кварцевого стекла, что в свою очередь снижает срок службы электрических источников света и полупроводников. Кроме того, щелочные металлы могут также увеличить диэлектрический коэффициент и диэлектрическую потерю кварцевого стекла, влияя на диэлектрические свойства и механическую прочность кварцевого стекла.
Переходные металлы
Переходные металлы, включая Fe, Cr, MN, Ni, И Cu, проявляют ряд окислительных состояний, часто проявляющихся в специфических цветах. Это явление оказывает значительное влияние на качество плавленного кварцевого стекла. Например, микропереходные металлы снижают проводимость плавленного кварцевого стекла, играя отрицательную роль в надежности и предсказуемости инструмента. Это также приведет к появлению на поверхности кварцевого стекла пятен или высокой температуре, что повлияет на его световое качество передачи.
Элементы Al, B, Ti и т.д.
Содержание Al, B и Ti в кварце напрямую связано с геологией месторождения. Эти элементы, при наличии в кварцевом решётке, могут образовывать сильные химические связи, которые являются наиболее сложными примесями, удаляющими из кварца. Чрезмерное содержание этих элементов окажет значительное влияние на кристаллизацию кварцевого стекла, в результате чего образуется твердое и хрупкий кварцевое стекло с пониженной прочностью.
Примеси включений
Натуральный кварц обычно содержит минеральные включения. Из-за размера мельчайших частиц и плотного корпуса включений в кварце трудно удалить минеральные включения и сплавленные включения путем выбора и плавки метода без повреждения самого кварцевого кристалла. Кроме того, о влиянии жидких включений на высокочистый кварц свидетельствует также наличие различных ионов металла в составе жидких включений, что также является одним из основных факторов, влияющих на чистоту кварца.
Гидроксильная группа
Поскольку примеси и и структуры кварцевого стекла определяют его физические и химические свойства, присутствие гидроксильной группы в кварцевом стекле может изменить непрерывность структуры кварцевых сетей и еще больше повлиять на его свойства. Наличие гидроксильной группы также снизит химическую стабильность, прочность конструкции, теплостойкость и оптическую однородность кварцевого стекла.
Наличие гидроксильной группы изменит физические и химические свойства кварцевого стекла
Превосходные характеристики кварцевого стекла в основном зависят от стабильного тетраэдрального строения [SiO4]. При наличии гидроксильного дефекта он разорвит связь Si-O в сети Si-O-Si, тем самым увеличивая пористость структуры, уменьшая химическую стабильность, плотность и вязкость кварцевого стекла. Поскольку присутствие гидроксильных групп повышает гибкость связи Si-O, это приведет к увеличению модуля Юнга (E) и модуля скручивания (G) в кварцевом стекле, одновременно снижая температуру смягчения и способствуя кристаллизации.
Наличие гидроксильной группы повлияет на оптические свойства кварцевого стекла
В плавленном кварцевом стекле, производящем электроплавильной плавильной электрогидродом, гидроксильная группа в основном происходит от включения жидкости в кварцевый песок высокой чистоты в качестве сырья. В плавленном кварцевом стекле, производимого газосодержащей очисткой, гидроксильная группа в основном происходит от оксигеневого пламени, поскольку водород и вода могут легко вступать в реакцию с кислородом в диоксид кремния, образуя гидроксильную группу. Кварцевое стекло, приготовленное плавлением плазмы, часто имеет высокую чистоту и низкую гидроксильную группу.
Пузырек
При плавлении кварца не происходит полного разрыва жидких включений, а те жидкости, которые не лопаются до плавления, образуют пузырьки в плавленном кварцевом стекле. Высокая вязкость плавленного кварца делает удаление пузырьков особенно сложным. Следовательно, для приготовления кварцевого стекла требуется выбор сырья с низким содержанием примесей, с ограниченным количеством включений или включений, которые взорвались.
Неравномерное распределение размера частиц в сырье приведет к образованию пузырьков и микроядер в кварцевом стекле. Например, в процессе плавления разница в энергии активации поверхности приводит к преимущественной плавлению кварца мелкими частицами над крупночастичным кварцем. Расплавленный кварц будет покрывать поверхность нерасплавленного кварца, что затруднит полное расплавление крупных частиц. Это приводит к образованию дефектов на частицах, созданию ядер кристаллов частиц, ускорению кристаллизации. Кроме того, высокое содержание газа в промежутке между мелкими частицами делает процесс плавления выхлопных газов более сложным.
Форма частиц сырья также является одной из причин, влияющих на образование пузырьков в кварцевом стекле. В процессе плавления высокочистого кварцевого песка ацикулярная частица с большой длиной легко образует строительные конструкции, приводящее к отсутствию гладкости материала, приводящее к появлению пузырьков в стеклянных продуктах. Для уменьшения возникновения феномена строительных лесов и повышения текучести кварцевого песка необходимо, чтобы кварцевый песок был зернистым по своей природе и был как можно ближе к 1:1, что приближает сферическую форму. Поэтому необходимо строго контролировать распределение размеров частиц и форму частиц сырья.
В целом, низкое качество кварцевого стекла можно отнести к двум основным факторам: Чистоте сырья и процессу производства. Поэтому необходимо улучшить производительность кварцевого стекла с двух сторон: Обработка кварцевого сырья и стержневой технологии производства кварцевого стекла.
