Koje su glavne kemijske komponente šipki od kvarcnog stakla?

Glavna kemijska komponenta šipke od kvarcnog stakla je silicijev dioksid (SiO₂), čija je čistoća obično iznad 99,9%, a kvarcno staklo visoke čistoće može doseći čak 99,9999% (6N stupanj).

1. Molekularna struktura silicijeva dioksida (SiO₂)
Temeljni razlog zašto štapići od kvarcnog stakla imaju izvrsna fizikalna i kemijska svojstva je posebna molekularna struktura silicijeva dioksida. Za razliku od običnog stakla, mikrostruktura kvarcnog stakla predstavlja vrlo stabilnu značajku poput mreže, koja izravno određuje toplinska, optička i mehanička svojstva materijala.

Na atomskoj razini osnovna strukturna jedinica silicijevog dioksida je tetraedar silicij-kisik. U ovoj strukturi atom silicija nalazi se u središtu, a četiri atoma kisika ravnomjerno su raspoređena na vrhovima tetraedra. Svaki atom kisika tvori jaku kovalentnu vezu sa središnjim atomom silicija. Ova metoda lijepljenja ima iznimno visoku energiju veze, što cijelu strukturu čini iznimno stabilnom.

Posebno je vrijedno pažnje da svaki atom kisika obično tvori most s dva atoma silicija, povezujući tako susjedne tetraedre silicij-kisik u kontinuiranu trodimenzionalnu mrežnu strukturu. Ovaj jedinstveni način spajanja daje kvarcno staklo izvrsne mehaničke čvrstoće i kemijske stabilnosti.

Najistaknutija strukturna značajka kvarcnog stakla je njegova amorfna priroda. Iako raspored tetraedra silicij-kisik u lokalnom rasponu ostaje uredan, prostorni raspored tih tetraedra potpuno je poremećen u makroskopskom mjerilu. Ova strukturna značajka čini kvarcno staklo izotropnim u fizičkim svojstvima, odnosno njegova se svojstva ne mijenjaju sa smjerom mjerenja.

U usporedbi s kristalnim kvarcom, amorfna struktura uzrokuje da kvarcno staklo nema jasno talište, već postupno omekšava tijekom zagrijavanja, što je od velike važnosti u praktičnim primjenama.

Usporedbom kvarcnog stakla s kristalnim kvarcom mogu se jasnije razumjeti njegove strukturne karakteristike. Tetraedri silicij-kisik u kristalnom kvarcu raspoređeni su prema strogim pravilima heksagonalnog kristalnog sustava kako bi formirali uređenu kristalnu strukturu velikog dometa. Ovaj uredan raspored čini da kristalni kvarc pokazuje anizotropiju, kao što je poznati fenomen dvoloma. Međutim, kvarcnom staklu nedostaje taj poredak velikog dometa i ne proizvodi dvolom, što mu daje jedinstvenu prednost u optičkim primjenama.

Posebna struktura silicija izravno određuje ključna svojstva kvarcnog stakla. Prvo, kontinuirana trodimenzionalna mrežna struktura čini materijal izuzetno prozirnim i može održati izvrsnu propusnost od ultraljubičastih do infracrvenih vrpci. Drugo, mreža sastavljena od jakih kovalentnih veza može se učinkovito oduprijeti promjenama dimenzija uzrokovanim promjenama temperature, dajući materijalu iznimno nizak koeficijent toplinske ekspanzije. Nadalje, stabilne veze silicij-kisik čine kvarcno staklo inertnim na većinu kemikalija i nagrizat će ga samo fluorovodična kiselina i jake lužine.

U praktičnim primjenama, čak i tragovi nečistoća mogu imati značajan učinak na mrežnu strukturu silicija. Na primjer, kada ioni aluminija zamijene ione silicija i uđu u mrežu, doći će do strukturnih defekata, što će rezultirati smanjenjem ultraljubičaste propusnosti materijala. Slično, uvođenje iona alkalnih metala prekinut će mrežu veze silicij-kisik i značajno smanjiti otpornost materijala na visoke temperature. Stoga, u visokoučinkovitim primjenama, čistoća sirovina mora biti strogo kontrolirana kako bi se osigurala cjelovitost strukture mreže silicijevog dioksida.

2. Razlika između kvarcne staklene šipke i drugih staklenih materijala
Iz osnovnog sastava materijala, šipka od kvarcnog stakla se gotovo u cijelosti sastoji od čistog silicijeva dioksida. Ova iznimno visoka čistoća čini kontinuiranu i jednoliku trodimenzionalnu mrežu u mikrostrukturi. Nasuprot tome, obično staklo kao što je soda-vapneno staklo je mnogo složenijeg sastava i osim silicijeva dioksida sadrži veliku količinu modificiranih oksida.

Iako ove dodane komponente poboljšavaju učinak obrade običnog stakla, one također iz temelja mijenjaju bitna svojstva materijala. Borosilikatno staklo, kao još jedna uobičajena vrsta, ima sastav između ova dva, a relativno uravnotežena izvedba se postiže dodavanjem borovog oksida.

Što se tiče toplinskih svojstava, šipke od kvarcnog stakla pokazuju izvrsnu stabilnost. Zbog svoje strukture čistog silicijevog dioksida i snažne sile vezivanja silicij-kisik, kvarcno staklo može izdržati ekstremno visoke temperature bez omekšavanja i deformacije. Ovo svojstvo ga čini idealnim izborom za pokuse na visokim temperaturama i industrijske primjene.

Obično staklo počinje omekšavati na relativno niskim temperaturama, što ozbiljno ograničava njegovu upotrebu u okruženjima s visokim temperaturama. Iako je borosilikatno staklo u određenoj mjeri poboljšalo otpornost na toplinu, još uvijek ne može dostići razinu kvarcnog stakla.

Kvarcne staklene šipke imaju izuzetno izvrsne karakteristike prijenosa svjetlosti zbog vrlo čistog sastava i ujednačene strukture. Ne samo da može prenositi vidljivu svjetlost, već također omogućuje nesmetan prolaz ultraljubičastih i infracrvenih zraka. Ovu širokopojasnu sposobnost prijenosa svjetlosti teško je postići drugim staklenim materijalima.

Obično staklo sadrži razne metalne ione i nečistoće, što ima vrlo očit učinak blokiranja ultraljubičastih zraka, što ga čini potpuno nesposobnim zamijeniti kvarcno staklo u aplikacijama koje zahtijevaju ultraljubičasti prijenos. Iako su optička svojstva borosilikatnog stakla bolja od običnog stakla, njegova propusnost svjetlosti u ultraljubičastom području još uvijek je manja od kvarcnog stakla.

Što se tiče kemijske stabilnosti, šipke od kvarcnog stakla također imaju izvanredne rezultate. Ima snažnu otpornost na većinu kiselih tvari i nagrizat će ga samo nekoliko vrlo korozivnih tvari kao što je fluorovodična kiselina. Ova izvrsna otpornost na koroziju čini ga naširoko korištenim u kemijskoj industriji. Kemijska stabilnost običnog stakla je relativno slaba, posebno u alkalnim sredinama. Iako je kemijska otpornost borosilikatnog stakla poboljšana, još uvijek se ne može usporediti s kvarcnim staklom.

Iz mikroskopske perspektive, još jedna važna značajka kvarcnog stakla je njegov izuzetno nizak koeficijent toplinske ekspanzije. To znači da se veličina kvarcnog stakla gotovo ne mijenja značajno pri promjeni temperature. Ovo svojstvo ga čini nezamjenjivim u preciznim optičkim instrumentima i okruženjima s drastičnim promjenama temperature. Obično staklo ima mnogo veću toplinsku ekspanziju, što može uzrokovati naprezanje, pa čak i pucanje kada temperatura varira. Borosilikatno staklo smanjuje toplinsko širenje kroz posebnu formulu sastava, ali još uvijek nema tako dobre performanse kao kvarcno staklo.

U stvarnim scenarijima primjene, ove razlike u izvedbi izravno određuju primjenjiva područja različitih staklenih materijala. Kvarcne staklene šipke naširoko se koriste u vrhunskim poljima kao što su proizvodnja poluvodiča, precizna optika i eksperimenti na visokim temperaturama zbog svojih izvrsnih sveobuhvatnih performansi.

Obično se staklo uglavnom koristi u svakodnevnim potrepštinama i građevinarstvu. Njegove prednosti su niska cijena i laka obrada. Borosilikatno staklo je pronašlo svoje mjesto na tržištu i koristi se u laboratorijskom posuđu i nekim specijalnim svjetiljkama.

3. Proces proizvodnje kvarcne staklene šipke
Proizvodnja šipke od kvarcnog stakla je složen proces koji integrira znanost o materijalima, tehnologiju visokih temperatura i preciznu obradu. Srž leži u tome kako sirovine od silicijevog dioksida pretvoriti u proizvode u obliku šipke sa specifičnim zahtjevima za performansama i veličinom. Cjelokupni proizvodni proces može se podijeliti u četiri glavne faze: obrada sirovina, oblikovanje taljenjem, oblikovanje izvlačenjem i naknadna obrada. Svaka faza zahtijeva strogu kontrolu kako bi se osigurala kvaliteta konačnog proizvoda.

(1). Priprema i predtretman sirovina
Prva karika u proizvodnji kvarcnog stakla je odabir i pročišćavanje sirovina. Prema zahtjevima za kvalitetu proizvoda, prirodni kvarcni pijesak ili sintetski silicij mogu se odabrati kao sirovine. Za kvarcne šipke s visokim zahtjevima čistoće obično se koristi sintetski silicijev dioksid pripremljen kemijskim taloženjem iz pare, a njegova čistoća može doseći više od 99,9999%.

Sirovine moraju proći višestruke procese pročišćavanja prije ulaska u proces taljenja: prvo se koristi dekapiranje kako bi se uklonile metalne nečistoće, zatim se provodi tretman kloriranjem na visokoj temperaturi za daljnje pročišćavanje i na kraju se koristi precizno prosijavanje kako bi se osigurala ujednačena veličina čestica. Kvaliteta obrade u ovoj fazi izravno utječe na optička svojstva i toplinsku stabilnost konačnog proizvoda.

(2). Proces taljenja na visokoj temperaturi
Taljenje je ključna karika proizvodnje kvarcnog stakla. Trenutno se u industriji uglavnom koriste tri tehnologije taljenja:

Električno topljenje najtradicionalniji je proizvodni proces. U vakuumu ili zaštitnom okruženju inertnog plina, kvarcni pijesak se topi visokotemperaturnim lukom koji stvara grafitna elektroda. Ova metoda ima relativno malo ulaganja u opremu i prikladna je za proizvodnju velikih kvarcnih štapova, ali mala količina ugljičnih nečistoća može ostati u proizvodu.

Metoda rafiniranja plina koristi plamen vodik-kisik kao izvor topline, a temperatura može doseći i iznad 2000°C. Kvarcni pijesak visoke čistoće topi se u plamenu vodik-kisik, a preciznom kontrolom temperature plamena i vremena taljenja može se dobiti kvarcno staklo izuzetno visoke čistoće. Ova je metoda posebno prikladna za proizvodnju kvarcnih šipki optičke kvalitete, ali je potrošnja energije velika, a učinkovitost proizvodnje relativno niska.

Plazma taljenje je vrhunska tehnologija razvijena posljednjih godina. Koristi plazma plamenik za stvaranje ultra visoke temperature (do 3000°C) za trenutno topljenje sirovina. Prednost ove metode je u tome što se može proizvesti kvarcno staklo ultra-visoke čistoće, koje je gotovo bez hidroksila i drugih nečistoća, i posebno je pogodno za primjenu u poluvodičima i optičkim vlaknima, ali oprema je složena i skupa.

(3). Proces oblikovanja i crtanja
Rastaljeno kvarcno staklo potrebno je precizno oblikovati kako bi se dobile šipke koje zadovoljavaju zahtjeve. Postoje dvije glavne metode oblikovanja:

Metoda kalupljenja ubrizgava rastaljeni kvarc u poseban kalup i dobiva željeni oblik preciznom kontrolom brzine hlađenja. Ova metoda je prikladna za proizvodnju kvarcnih šipki velikog promjera, ali može doći do koncentracije naprezanja unutar proizvoda.

Metoda kontinuiranog izvlačenja je najčešće korišten proizvodni proces. Rastaljeni kvarc istječe iz posebne ploče za curenje i uvlači se konstantnom brzinom kroz precizno kontrolirani vučni sustav. Podešavanjem brzine izvlačenja i temperature mogu se dobiti različite specifikacije proizvoda promjera od nekoliko milimetara do stotina milimetara. Gradijent temperature i brzinu hlađenja potrebno je precizno kontrolirati tijekom procesa izvlačenja kako bi se osigurala točnost dimenzija i unutarnja kvaliteta šipke.

(4). Tretman preciznog žarenja
Novoformirana kvarcna šipka mora proći strogi postupak žarenja kako bi se uklonio unutarnji stres. Proces žarenja obično se provodi u posebnoj peći za žarenje, s temperaturom kontroliranom između 1100-1200 ℃, a vrijeme izolacije ovisi o veličini šipke. Ključno je strogo kontrolirati brzinu hlađenja. Obično je metoda hlađenja segmentirana. Može proći nekoliko dana od zone visoke temperature do zone niske temperature. Savršeno žarenje može značajno poboljšati toplinsku stabilnost i mehaničku čvrstoću kvarcne šipke.

(5). Naknadna obrada i dorada
Žarena kvarcna šipka također treba proći kroz višestruke precizne procese obrade:

Strojna obrada uključuje cilindrično brušenje, čeono brušenje itd. kako bi se osigurala točnost dimenzija i završna obrada površine. Za kvarcne šipke s posebnim zahtjevima može biti potrebna složena obrada poput bušenja i utora.

Površinska obrada je ključni korak za poboljšanje performansi, uključujući procese kao što su vatreno poliranje i kemijsko jetkanje. Vatreno poliranje koristi plamen visoke temperature za mikrotaljenje površine kako bi se dobila optički glatka površina; kemijsko jetkanje koristi se za uklanjanje oštećenog sloja obrade i poboljšanje čvrstoće.

Posebni tretmani mogu uključivati: UV zračenje za poboljšanje optičkih svojstava, toplinsku obradu na visokoj temperaturi za smanjenje sadržaja hidroksila ili površinski premaz za poboljšanje specifičnih funkcija prema zahtjevima primjene.

6. Inspekcija i kontrola kvalitete
Gotova kvarcna šipka mora proći kroz niz strogih procesa provjere kvalitete prije nego napusti tvornicu. Ove stavke pregleda pokrivaju više ključnih pokazatelja učinka materijala, kao što su optika, fizika, toplina i kemija. U ispitivanju optičkih performansi, tehničari će koristiti precizni spektrofotometar za mjerenje karakteristika propusnosti kvarcne šipke na različitim valnim duljinama, obraćajući posebnu pozornost na performanse propusnosti u ultraljubičastom i infracrvenom pojasu.

U isto vrijeme, laserski interferometri i druga oprema koristit će se za otkrivanje ujednačenosti indeksa loma kako bi se osiguralo da optička izvedba cijele kvarcne šipke zadovoljava zahtjeve dizajna. Podaci o optičkom ispitivanju ključni su za utvrđivanje je li kvarcna šipka pogodan je za precizne optičke sustave.

Detekcija točnosti geometrijskih dimenzija osnovna je karika kontrole kvalitete. Inspektori će koristiti visokoprecizna mjerila, mikrometre i druge mjerne alate za mjerenje osnovnih dimenzija kvarcnog štapa, kao što su promjer, duljina i okruglost. Za aplikacije s velikim zahtjevima, trokoordinatni mjerni stroj također se može koristiti za precizniju dimenzionalnu detekciju kako bi se osiguralo da se geometrijska tolerancija kvarcne šipke kontrolira unutar dopuštenog raspona. Ovaj test je izravno povezan s točnošću podudaranja kvarcne šipke u kasnijem procesu sastavljanja i korištenja.

Inspekcija unutarnjih nedostataka uglavnom se obavlja profesionalnom opremom za ispitivanje. Uobičajene metode uključuju promatranje optičkim mikroskopom, rendgensko otkrivanje nedostataka i ultrazvučno ispitivanje. Ove metode detekcije mogu točno identificirati nedostatke kao što su mjehurići, nečistoće, pukotine itd. koji mogu postojati unutar kvarcne šipke i odrediti ocjenu proizvoda prema veličini, količini i distribuciji nedostataka. Posebno za optičke i poluvodičke kvarcne šipke, standardi kontrole za unutarnje nedostatke su stroži i obično ne zahtijevaju nikakve vidljive nedostatke.

Ispitivanje toplinske izvedbe uglavnom uključuje dvije važne stavke: ispitivanje koeficijenta toplinskog širenja i ispitivanje otpornosti na toplinski udar. Ispitivanje koeficijenta toplinskog širenja koristi termomehanički analizator za mjerenje dimenzijskih promjena kvarcne šipke pri različitim temperaturama. Ispitivanje otpornosti na toplinske udare sastoji se u brzom prebacivanju kvarcne šipke između okruženja visoke i niske temperature kako bi se promatrala njezina otpornost na pukotine. Ovi podaci o toplinskoj učinkovitosti imaju veliku referentnu vrijednost za procjenu pouzdanosti kvarcnih šipki u okruženjima s promjenom temperature.

Ispitivanje kemijske stabilnosti uglavnom ocjenjuje toleranciju kvarcnih šipki u različitim kemijskim okruženjima. Uobičajene metode ispitivanja uključuju uranjanje uzoraka kvarcnih šipki u otopine kiselina i lužina različitih koncentracija, promatranje promjena na njihovoj površini i mjerenje promjena težine i promjena hrapavosti površine prije i nakon uranjanja.

Među njima je posebno važan test otpornosti na fluorovodičnu kiselinu, jer je kvarcno staklo posebno osjetljivo na koroziju u okruženju fluorovodične kiseline. Ovim sveobuhvatnim testovima kvalitete može se osigurati da svaka kvarcna šipka isporučena iz tvornice zadovoljava stroge standarde kvalitete i ispunjava posebne zahtjeve različitih scenarija primjene.

7. Područja primjene šipke od kvarcnog stakla
U području optičkog inženjerstva, kvarcne staklene šipke igraju vitalnu ulogu. Zbog svoje izvrsne UV-vidljive-infracrvene propusnosti punog pojasa, idealan je materijal za proizvodnju visokopreciznih optičkih komponenti. U primjenama laserske tehnologije, kvarcne šipke često se koriste kao mediji s rezonantnom šupljinom i optički prozori lasera, posebno u CO2 laserima velike snage, gdje kvarcne šipke mogu izdržati iznimno jaku lasersku energiju bez oštećenja.

U komunikacijskim sustavima s optičkim vlaknima, kvarcne staklene šipke ultra-visoke čistoće precizno se izvlače kako bi oblikovale predforme optičkih vlakana, koje su osnovne sirovine za proizvodnju komunikacijskih optičkih vlakana. U proizvodnji optičkih instrumenata, kvarcne šipke se obrađuju u različite leće, prizme i optičke prozore, koji se naširoko koriste u visokopreciznoj optičkoj opremi kao što su spektrometri i mikroskopi.

Industrija poluvodiča posebno ovisi o šipkama od kvarcnog stakla. Tijekom procesa proizvodnje pločica, kvarcne šipke se izrađuju u različite oblike nosača pločica, difuzijskih cijevi i komponenti reakcijske komore. Ove komponente moraju izdržati okolinu visoke temperature u procesu proizvodnje poluvodiča i moraju osigurati da se ne unesu zagađujuće nečistoće.

U naprednoj tehnologiji ekstremno ultraljubičaste (EUV) litografije, optičke komponente izrađene od kvarcnog stakla postale su ključ za postizanje točnosti litografije na nano razini zbog svog iznimno niskog koeficijenta toplinske ekspanzije i izvrsne optičke jednolikosti. Osim toga, kvarcne staklene šipke također se naširoko koriste u prozorima za promatranje, cjevovodima za dovod plina i drugim dijelovima poluvodičke opreme zbog svoje kemijske inertnosti.

Kemijska industrija u potpunosti iskorištava otpornost na koroziju šipke od kvarcnog stakla . U kemijskim reaktorima pod jakim kiselim okruženjima, kvarcni prozori za promatranje mogu dugo vremena izdržati razne jake kisele erozije osim fluorovodične kiseline. Cjevovodi za isporuku korozivnog medija, šipke za miješanje i druge komponente u kemijskoj proizvodnji također su često izrađene od kvarcnog stakla.

Posebno je vrijedno spomenuti da u eksperimentima s kemijskom reakcijom na visokim temperaturama i pod visokim pritiskom, kvarcne reakcijske posude mogu izdržati oštre temperature i kemijska okruženja u isto vrijeme, pružajući pouzdane eksperimentalne uvjete za istraživače. Kvarcno staklo ima daleko bolje rezultate od običnog stakla i većine metalnih materijala u ovim primjenama.

Posljednjih godina materijali od kvarcnog stakla sve se više koriste u medicini i zdravstvu. Što se tiče medicinske opreme, kvarcne šipke se koriste za proizvodnju komponenti optičkog prijenosa endoskopa, elemenata za vođenje svjetlosti laserskih kirurških instrumenata itd. Njegova izvrsna biokompatibilnost osigurava da se ovi instrumenti mogu sigurno koristiti za liječenje ljudi.

U opremi za ultraljubičastu dezinfekciju, kvarcne staklene šipke visoke propusnosti koriste se kao materijali za svjetiljke kako bi se povećala učinkovitost sterilizacije. Osim toga, u nekim preciznim medicinskim instrumentima za ispitivanje, kvarcni optički elementi osiguravaju točnost rezultata ispitivanja.

Potražnja za šipke od kvarcnog stakla u području znanstvenog istraživanja i eksperimenta također je jak. U eksperimentima fizike visokih energija, kvarcne šipke se koriste kao važne komponente Čerenkovljevih detektora zračenja. U istraživanju znanosti o materijalima, kvarcni lonci i reakcijske posude pružaju idealno okruženje za sintezu materijala na visokim temperaturama.

U području svemirske znanosti, otpornost na zračenje kvarcnog stakla čini ga preferiranim materijalom za optičke sustave svemirskih letjelica. Ove vrhunske znanstvene istraživačke aplikacije često imaju ekstremne zahtjeve za svojstvima materijala, a šipke od kvarcnog stakla uvijek mogu izvrsno obaviti zadatak.