العوامل المؤثرة على جودة زجاج الكوارتز

يتأثر أداء زجاج الكوارتز بشكل أساسي بجودة المواد الخام وعملية التصنيع. إذا كانت نقاء المواد الخام غير كافية، فقد يظهر زجاج الكوارتز المنتج مجموعة من العيوب، بما في ذلك الفقاعات، والخطوط الهوائية، والشوائب، ومحتوى الهيدروكسيل العالي، والتبلور الشديد. يمكن أن تؤدي هذه المشكلات إلى أداء دون المستوى لزجاج الكوارتز بطرق مختلفة. إذا لم يتم التحكم في العملية بشكل صارم، فإن العيوب في مجموعة الهيدروكسيل، والإجهاد الداخلي، والخطوط الدقيقة، والبنية الدقيقة ستقلل أيضًا من مؤشر أداء زجاج الكوارتز.

الشوائب في المواد الخام

المعادن القلوية

تتمتع المعادن القلوية مثل Li وNa وK بقدرة تدفق قوية في هيكل زجاج الكوارتز المصهور، مما يؤدي إلى التبلور والتشوه في زجاج الكوارتز في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. ثانيًا، ستؤثر المعادن القلوية على الخصائص الحرارية والبصرية لزجاج الكوارتز، مما يقلل من عمر الخدمة لمصادر الضوء الكهربائية وأشباه الموصلات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمعادن القلوية أيضًا زيادة معامل العزل وفقدان العزل لزجاج الكوارتز، مما يؤثر على الخصائص العازلة والقوة الميكانيكية لزجاج الكوارتز.

المعادن الانتقالية

تظهر المعادن الانتقالية، بما في ذلك Fe وCr وMn وNi وCu، مجموعة من حالات الأكسدة، وغالبًا ما تتجلى في ألوان محددة. لهذا الظاهرة تأثير كبير على جودة زجاج الكوارتز المصهور. على سبيل المثال، ستقلل المعادن الانتقالية الأثرية من موصلية زجاج الكوارتز المصهور، مما يلعب دورًا سلبيًا في موثوقية وتوقع الأداة. سيؤدي ذلك أيضًا إلى ظهور بقع لونية أو تغير لون عالي الحرارة على سطح زجاج الكوارتز، مما يؤثر على أداء نقل الضوء.

العناصر Al وB وTi، إلخ.

يرتبط محتوى Al وB وTi في الكوارتز بشكل مباشر بجغرافيا الرواسب. هذه العناصر، عندما تكون موجودة في شبكة الكوارتز، يمكن أن تشكل روابط كيميائية قوية، وهي الشوائب الأكثر تحديًا لإزالتها من الكوارتز. سيكون للمحتوى الزائد من هذه العناصر تأثير كبير على تبلور زجاج الكوارتز، مما يؤدي إلى تكوين زجاج كوارتز صلب وهش مع قوة منخفضة.

شوائب الشوائب

عادة ما يحتوي الكوارتز الطبيعي على شوائب معدنية. نظرًا لصغر حجم الجسيمات والإغلاق المحكم للشوائب داخل الكوارتز، يصعب إزالة الشوائب المعدنية والشوائب المصهورة عن طريق اختيار وطرق الصهر دون إتلاف بلورة الكوارتز نفسها. بالإضافة إلى ذلك، يتضح تأثير الشوائب السائلة على الكوارتز عالي النقاء من خلال وجود أيونات معدنية مختلفة داخل الشوائب السائلة، وهو أيضًا أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على نقاء الكوارتز.

مجموعة الهيدروكسيل

نظرًا لأن الشوائب والهياكل في زجاج الكوارتز تحدد خصائصه الفيزيائية والكيميائية، فإن وجود مجموعة الهيدروكسيل في زجاج الكوارتز يمكن أن يغير استمرارية هيكل شبكة الكوارتز ويؤثر بشكل أكبر على خصائصه. سيقلل وجود مجموعة الهيدروكسيل أيضًا من الاستقرار الكيميائي، والقوة الهيكلية، ومقاومة الحرارة، والتجانس البصري لزجاج الكوارتز.

وجود مجموعة الهيدروكسيل سيغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية لزجاج الكوارتز

يعتمد الأداء الممتاز لزجاج الكوارتز بشكل رئيسي على الهيكل الرباعي المستقر لـ [SiO4]. عندما يكون هناك عيب في مجموعة الهيدروكسيل، فإنه سيكسر الرابطة Si-O في شبكة Si-O-Si، مما يزيد من مسامية الهيكل، ويقلل من الاستقرار الكيميائي، والكثافة، واللزوجة لزجاج الكوارتز. نظرًا لأن وجود مجموعات الهيدروكسيل يعزز مرونة الرابطة Si-O، فإنه سيزيد من معامل يونغ (E) ومعامل الالتواء (G) في زجاج الكوارتز بينما يقلل من درجة حرارة التليين ويعزز التبلور.

وجود مجموعة الهيدروكسيل سيؤثر على الخصائص البصرية لزجاج الكوارتز

في زجاج الكوارتز المصهور المنتج بواسطة الصهر الكهربائي، تأتي مجموعة الهيدروكسيل بشكل رئيسي من الشوائب السائلة في رمل الكوارتز عالي النقاء كمادة خام. في زجاج الكوارتز المصهور المنتج بواسطة التكرير بالغاز، تأتي مجموعة الهيدروكسيل بشكل رئيسي من اللهب الأكسجيني، لأن الهيدروجين والماء يمكن أن يتفاعلان بسهولة مع الأكسجين في ثاني أكسيد السيليكون لتشكيل مجموعة الهيدروكسيل. يتميز زجاج الكوارتز المحضر بواسطة الصهر بالبلازما بنقاء عالٍ ومحتوى منخفض من مجموعة الهيدروكسيل.

فقاعة

لن تنفجر الشوائب السائلة تمامًا أثناء عملية صهر الكوارتز، وتلك الشوائب السائلة التي لا تنفجر قبل الصهر ستشكل فقاعات في زجاج الكوارتز المصهور. إن اللزوجة العالية لزجاج الكوارتز المصهور تجعل إزالة الفقاعات تحديًا خاصًا. وبالتالي، يتطلب تحضير زجاج الكوارتز اختيار مواد خام ذات محتوى شوائب منخفض، مع عدد محدود من الشوائب أو مع شوائب قد انفجرت.

عدم التساوي توزيع حجم الجسيماتداخل المادة الخام ستؤدي إلى تكوين فقاعات ونوى دقيقة في زجاج الكوارتز. على سبيل المثال، في عملية الصهر، يؤدي الفرق في طاقة تنشيط السطح إلى انصهار الكوارتز ذو الجسيمات الصغيرة بشكل تفضيلي على الكوارتز ذو الجسيمات الكبيرة. سيغطي الكوارتز المنصهر سطح الكوارتز غير المنصهر، مما يجعل من الصعب على الجسيمات الكبيرة أن تذوب تمامًا. يؤدي ذلك إلى تكوين عيوب على الجسيمات، وإنشاء نوى بلورية للجسيمات، وتسريع التبلور. بالإضافة إلى ذلك، فإن المحتوى العالي من الغاز داخل الفجوة بين الجسيمات الصغيرة يجعل عملية طرد الغاز أثناء الصهر أكثر تحديًا.

ال شكل الجسيماتللمادة الخام هو أيضًا أحد الأسباب التي تؤثر على تكوين الفقاعات في زجاج الكوارتز. في عملية صهر رمل الكوارتز عالي النقاء، يكون الجسيم الإبري ذو الطول الكبير سهل التشكيل لهياكل شبيهة بالسقالات، مما يؤدي إلى نقص في السلاسة في المادة، مما يؤدي إلى ظهور فقاعات في المنتجات الزجاجية. من أجل تقليل حدوث ظاهرة السقالات وتعزيز سيولة رمل الكوارتز، من الضروري أن يكون رمل الكوارتز حبيبيًا في الطبيعة ويظهر نسبة طول إلى قطر قريبة من 1:1، مما يقارب الشكل الكروي. لذلك، يجب التحكم بدقة في توزيع حجم الجسيمات وشكل الجسيمات للمادة الخام.

بشكل عام، يمكن أن يُعزى ضعف جودة زجاج الكوارتز إلى عاملين رئيسيين: نقاء المواد الخام وعملية التصنيع. لذلك، من الضروري تحسين أداء زجاج الكوارتز من جانبين: معالجة المواد الخام للكوارتز والتكنولوجيا الأساسية لإنتاج زجاج الكوارتز.