Tri metódy prípravy kremenného skla s vysokou čistosťou

Prírodné kremičité sklo

Prvá kategória zahŕňa topenie prírodných kremeň kryštály alebo oxid kremičitý na výrobu prírodného kremenného skla, ktoré možno ďalej rozdeliť na metódy ako ‌elektrické tavenie‌, ‌spaľovanie plynu‌ a ‌plazmové tavenie‌ založené na zdrojoch tepla a procesoch.

Pri metóde „elektrického tavenia“ sa práškové kremenné suroviny v tégliku tavia elektrickým ohrevom (vrátane odporového ohrevu a elektromagnetického indukčného ohrevu), po čom nasleduje rýchly proces vitrifikácie za vzniku kremenného skla14. Počas tavenia prechádza kryštalická štruktúra kremeňa fázovými prechodmi z β-kremeňa na α-kremeň a potom na α-kristobalit (sprevádzané tvorbou amorfnej fázy), až kým nedosiahne približne 1723 °C, kde sa začína tvoriť kremenná tavenina.

Vysoko čistý kremenný piesok

Proces tavenia kremenného prášku sa zvyčajne vykonáva vo vysokom vákuu (0.1 až 10 Pa), aby sa odstránil plyn uvoľňovaný v procese a znížil sa obsah bublín v kremennom skle. Kvalita kremenného skla vyrobeného metódou elektrického tavenia závisí hlavne od čistoty surovín. Kovové nečistoty v kremenných surovinách sa zvyčajne ťažko odstraňujú, takže obsah kovových nečistôt v tavenom kremennom skle je vo všeobecnosti vysoký a ťažko sa reguluje. Vlhkosť v kremennom prášku sa dá účinne odstrániť sušením, takže kremenné sklo s nízkym obsahom hydroxylových skupín sa dá pripraviť metódou elektrického tavenia.

Syntetické kremenné sklo

Druhá kategória zahŕňa syntézu kremenné sklo chemickými reakciami s použitím zlúčenín obsahujúcich kremík (napr. halosilány, hydrosilány a organosilikóny) ako surovín, nazývaných „syntetické kremenné sklo“. Na základe reakčných princípov sa táto kategória ďalej delí na tri metódy.

1) Plazmové chemické nanášanie z pár (PCVD): Zlúčeniny obsahujúce kremík podliehajú tepelnej oxidácii v bezvodom prostredí za vzniku SiO₂.

2) ‌Plameňová hydrolýza (FHD)‌: Zlúčeniny obsahujúce kremík podliehajú hydrolýze (často sprevádzanej oxidáciou) v plameni vodíka a kyslíka.

3)‌Metóda Sol-Gel‌: Zlúčeniny obsahujúce kremík podliehajú hydrolýze vo vodnom prostredí.

Spomedzi nich je ‌FHD‌ najrozšírenejšou a najvyspelejšou priemyselnou technológiou, ktorá zahŕňa ‌priamu‌ syntézu‌ a ‌nepriamu‌ syntézu.

● ‌Priama syntéza‌: Vysokoteplotná hydrolýza vytvára roztavené častice SiO₂, ktoré sa priamo nanášajú na substrát a ochladzujú sa za vzniku kremenného skla.

● ‌Nepriama syntéza‌: Nízkoteplotná hydrolýza vytvára častice SiO₂ podobné sadziam, čím vytvára pórovité teleso SiO₂. Toto pórovité teleso podlieha dehydratácii, dopovaniu, spekaniu a chladeniu, čím vzniká kremenné sklo.

V priemyselných aplikáciách sa bežne používanou metódou priamej syntézy je chemická depozícia z pár (CVD). Medzi metódy nepriamej syntézy patria modifikované prístupy založené na CVD, ako napríklad dvojstupňová CVD, axiálna depozícia z pár v plynnej fáze (VAD) a vonkajšia depozícia z pár (OVD).

Tieto metódy sa líšia v procesoch prípravy a konečných produktoch. Napríklad CVD a dvojstupňové CVD sa používajú predovšetkým na výrobu veľkorozmerných ingotov z kremenného skla, zatiaľ čo VAD a OVD sa používajú hlavne na výrobu predliskov z optických vlákien z kremenného skla. Napriek týmto rozdielom sú všetky tieto techniky v podstate založené na princípoch plameňovej hydrolýzy (FHD).

Kremenný sklenený ingot

Predlisok z optických vlákien

Metóda tepelnej modifikácie

V praktických priemyselných aplikáciách sú požiadavky na tvar výrobkov z kremenného skla kritické. Napríklad vysoko čisté kremenné sklenené trubice a kremenné sklenené tyčinky sa široko používajú v polovodičovom priemysle. V dôsledku toho má pretváranie výrobkov (reformovanie) pri výrobe kremenného skla značný význam. V súčasnosti je metóda tepelného reformovania primárnym priemyselným prístupom k modifikácii. kremenné sklo produkty. To zahŕňa zahriatie kremenného skla na bod mäknutia a následnú zmenu jeho tvaru podľa praktických potrieb.

Syntetická kremenná sklenená trubica

S rastúcou teplotou sa kremenné sklo Predlisok zmäkne, čo umožňuje jeho ťahanie smerom nadol pomocou ťažného zariadenia na vytvorenie tyčiniek alebo trubíc z kremenného skla. Nastavením teploty pece a rýchlosti ťahania je možné vyrábať tyče alebo rúrky s rôznymi priemermi. Usporiadanie cievok a štruktúra pece elektromagnetickej indukčnej vykurovacej pece významne ovplyvňujú pole rozloženia teploty v peci. V praktickej výrobe je prísna kontrola tohto teplotného poľa nevyhnutná na zabezpečenie kvality výrobkov z kremenného skla.

Kremenné sklenené tyče a kremenné sklenené trubice

(Časti na obrázku: 1-kremenná sklenená materská tyč; 2-vyhrievací článok; 3-kremenná sklenená tyč; 4-kremenná sklenená materská trubica; 5-indukčná cievka; 6-kremenná sklenená trubica; 7-traktor)