Hiệu suất của thủy tinh thạch anh chủ yếu bị ảnh hưởng bởi chất lượng của nguyên liệu thô và quy trình sản xuất. Nếu độ tinh khiết của nguyên liệu thô không đủ, thủy tinh thạch anh được sản xuất có thể xuất hiện một loạt các khuyết tật, bao gồm bong bóng, đường khí, tạp chất, hàm lượng hydroxyl cao và kết tinh nghiêm trọng. Những vấn đề này có thể dẫn đến hiệu suất kém của thủy tinh thạch anh theo nhiều cách khác nhau. Nếu quy trình không được kiểm soát chặt chẽ, các khuyết tật trong nhóm hydroxyl, ứng suất nội, sọc và vi cấu trúc cũng sẽ làm giảm chỉ số hiệu suất của thủy tinh thạch anh.
Tạp chất trong nguyên liệu thô
Kim loại kiềm
Các kim loại kiềm như Li, Na và K có tác dụng làm chảy mạnh trong cấu trúc của thủy tinh thạch anh nung chảy, dẫn đến sự kết tinh và biến dạng của thủy tinh thạch anh trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Thứ hai, các kim loại kiềm sẽ ảnh hưởng đến các tính chất nhiệt và quang học của thủy tinh thạch anh, từ đó làm giảm tuổi thọ của các nguồn sáng điện và chất bán dẫn. Ngoài ra, các kim loại kiềm cũng có thể làm tăng hệ số điện môi và tổn thất điện môi của thủy tinh thạch anh, ảnh hưởng đến các tính chất điện môi và độ bền cơ học của thủy tinh thạch anh.
Kim loại chuyển tiếp
Các kim loại chuyển tiếp, bao gồm Fe, Cr, Mn, Ni và Cu, thể hiện một loạt các trạng thái oxy hóa, thường được biểu hiện qua các màu sắc cụ thể. Hiện tượng này có tác động đáng kể đến chất lượng của thủy tinh thạch anh nung chảy. Ví dụ, các kim loại chuyển tiếp vết sẽ làm giảm độ dẫn điện của thủy tinh thạch anh nung chảy, đóng vai trò tiêu cực trong độ tin cậy và khả năng dự đoán của thiết bị. Điều này cũng sẽ gây ra các đốm màu hoặc sự đổi màu ở nhiệt độ cao trên bề mặt của thủy tinh thạch anh, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất truyền ánh sáng của nó.
Các nguyên tố Al, B, Ti, v.v.
Hàm lượng Al, B và Ti trong thạch anh có liên quan trực tiếp đến địa chất của mỏ. Những nguyên tố này, khi có mặt trong mạng tinh thể thạch anh, có thể hình thành các liên kết hóa học mạnh, là những tạp chất khó loại bỏ nhất khỏi thạch anh. Hàm lượng quá mức của những nguyên tố này sẽ có tác động đáng kể đến sự kết tinh của thủy tinh thạch anh, dẫn đến sự hình thành thủy tinh thạch anh cứng và giòn với độ bền giảm.
Tạp chất của bao thể
Thạch anh tự nhiên thường chứa các bao thể khoáng. Do kích thước hạt nhỏ và sự bao bọc chặt chẽ của các bao thể trong thạch anh, rất khó để loại bỏ các bao thể khoáng và bao thể nung chảy bằng phương pháp chọn lọc và nấu chảy mà không làm hỏng tinh thể thạch anh. Ngoài ra, tác động của bao thể lỏng lên thạch anh tinh khiết cao cũng được chứng minh bằng sự hiện diện của các ion kim loại khác nhau trong bao thể lỏng, đây cũng là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ tinh khiết của thạch anh.
Nhóm hydroxyl
Do tạp chất và cấu trúc trong thủy tinh thạch anh quyết định các tính chất vật lý và hóa học của nó, sự hiện diện của nhóm hydroxyl trong thủy tinh thạch anh có thể thay đổi tính liên tục của cấu trúc mạng thạch anh và ảnh hưởng đến các tính chất của nó. Sự hiện diện của nhóm hydroxyl cũng sẽ làm giảm độ ổn định hóa học, độ bền cấu trúc, khả năng chịu nhiệt và độ đồng nhất quang học của thủy tinh thạch anh.
Sự hiện diện của nhóm hydroxyl sẽ thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của thủy tinh thạch anh
Hiệu suất tuyệt vời của thủy tinh thạch anh chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc tứ diện ổn định của [SiO4]. Khi có khuyết tật hydroxyl, nó sẽ phá vỡ liên kết Si-O trong mạng Si-O-Si, từ đó tăng độ xốp của cấu trúc, giảm độ ổn định hóa học, mật độ và độ nhớt của thủy tinh thạch anh. Vì sự hiện diện của các nhóm hydroxyl làm tăng tính linh hoạt của liên kết Si-O, nên nó sẽ tăng mô đun Young (E) và mô đun xoắn (G) trong thủy tinh thạch anh trong khi giảm nhiệt độ mềm và thúc đẩy sự kết tinh.
Sự hiện diện của nhóm hydroxyl sẽ ảnh hưởng đến các tính chất quang học của thủy tinh thạch anh
Trong thủy tinh thạch anh nung chảy được sản xuất bằng phương pháp nấu chảy điện, nhóm hydroxyl chủ yếu đến từ bao thể lỏng trong cát thạch anh tinh khiết cao làm nguyên liệu thô. Trong thủy tinh thạch anh nung chảy được sản xuất bằng phương pháp tinh chế khí, nhóm hydroxyl chủ yếu đến từ ngọn lửa oxyhydrogen, vì hydro và nước có thể dễ dàng phản ứng với oxy trong silicon dioxide để tạo thành nhóm hydroxyl. Thủy tinh thạch anh được chuẩn bị bằng phương pháp nấu chảy plasma thường có độ tinh khiết cao và nhóm hydroxyl thấp.
Bong bóng
Các bao thể lỏng sẽ không nổ hoàn toàn trong quá trình nấu chảy thạch anh, và những bao thể lỏng không nổ trước khi nấu chảy sẽ hình thành bong bóng trong thủy tinh thạch anh nung chảy. Độ nhớt cao của thủy tinh thạch anh nung chảy làm cho việc loại bỏ bong bóng trở nên đặc biệt khó khăn. Do đó, việc chuẩn bị thủy tinh thạch anh đòi hỏi phải chọn lựa nguyên liệu thô có hàm lượng tạp chất thấp, với số lượng bao thể hạn chế hoặc với các bao thể đã nổ.
Sự không đồng đều phân bố kích thước hạt trong nguyên liệu thô sẽ dẫn đến sự hình thành bong bóng và vi nhân trong thủy tinh thạch anh. Ví dụ, trong quá trình nấu chảy, sự khác biệt về năng lượng hoạt hóa bề mặt dẫn đến sự nấu chảy ưu tiên của thạch anh hạt nhỏ so với thạch anh hạt lớn. Thạch anh đã nấu chảy sẽ phủ lên bề mặt của thạch anh chưa nấu chảy, làm cho các hạt lớn khó nấu chảy hoàn toàn. Điều này dẫn đến sự hình thành các khuyết tật trên các hạt, tạo ra nhân tinh thể hạt và tăng tốc độ kết tinh. Ngoài ra, hàm lượng khí cao trong khoảng trống giữa các hạt nhỏ làm cho quá trình nấu chảy khí thải trở nên khó khăn hơn.
Các hình dạng hạt của nguyên liệu thô cũng là một trong những lý do ảnh hưởng đến sự hình thành bong bóng trong thủy tinh thạch anh. Trong quá trình nấu chảy cát thạch anh tinh khiết cao, hạt dạng kim với chiều dài lớn dễ dàng hình thành các cấu trúc giống như giàn giáo, dẫn đến thiếu sự mịn màng trong vật liệu, gây ra bong bóng trong các sản phẩm thủy tinh. Để giảm thiểu hiện tượng giàn giáo và tăng cường tính lưu động của cát thạch anh, cần thiết là cát thạch anh phải có dạng hạt và có tỷ lệ chiều dài trên đường kính gần bằng 1:1, gần giống với hình cầu. Do đó, phân bố kích thước hạt và hình dạng hạt của nguyên liệu thô phải được kiểm soát chặt chẽ.
Nhìn chung, chất lượng kém của thủy tinh thạch anh có thể được quy cho hai yếu tố chính: độ tinh khiết của nguyên liệu thô và quy trình sản xuất. Do đó, cần thiết phải cải thiện hiệu suất của thủy tinh thạch anh từ hai khía cạnh: xử lý nguyên liệu thô thạch anh và công nghệ cốt lõi của sản xuất thủy tinh thạch anh.
