Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с шоковым кварцем .
Эта сфера из плавленого кварца была изготовлена ​​для использования в гироскопе в эксперименте Gravity Probe B. Это одна из самых точных сфер из когда-либо созданных, ее толщина отклоняется от идеальной сферы не более чем на 40 атомов. Только нейтронные звезды и монокристаллические кремниевые сферы, использованные в проекте Авогадро , считаются более гладкими.

Плавленый кварц или плавленый кварц - это стекло, состоящее из кремнезема в аморфной ( некристаллической ) форме. Он отличается от традиционных стекол тем, что не содержит других ингредиентов, которые обычно добавляют в стекло для снижения температуры плавления. Таким образом, плавленый кремнезем имеет высокие рабочие температуры и температуры плавления. Хотя термины плавленый кварц и плавленый кварц используются как синонимы, оптические и термические свойства плавленого кварца превосходят свойства плавленого кварца и других типов стекла из-за его чистоты. [1] По этим причинам он находит применение в таких ситуациях, как полупроводники.производственное и лабораторное оборудование. Он пропускает ультрафиолет лучше, чем другие очки, поэтому используется для изготовления линз и оптики для ультрафиолетового спектра. Низкий коэффициент теплового расширения плавленого кварца делает его полезным материалом для изготовления подложек прецизионных зеркал. [2]

Производство [ править ]

Плавленый кварц получают путем плавления (плавления) кварцевого песка высокой чистоты, который состоит из кристаллов кварца . Существует четыре основных типа коммерческого кварцевого стекла:

  • Тип I получают индукционной плавкой природного кварца в вакууме или инертной атмосфере.
  • Тип II получают путем плавления порошка кристаллов кварца в высокотемпературном пламени.
  • Тип III получают путем сжигания SiCl 4 в водород - кислород пламени.
  • Тип IV получают сжиганием SiCl 4 в пламени без водяного пара. [3]

Кварц содержит только кремний и кислород, хотя коммерческое кварцевое стекло часто содержит примеси. Преобладающие примеси - алюминий и титан . [4]

Fusion [ править ]

Плавление осуществляется при температуре примерно 1650 ° C (3000 ° F) с использованием печи с электрическим нагревом (с электрическим плавлением) или с использованием печи, работающей на газе / кислороде (с пламенным плавлением). Плавленый кремнезем может быть изготовлен практически из любого химического предшественника, богатого кремнием , обычно с использованием непрерывного процесса, который включает в себя пламенное окисление летучих соединений кремния до диоксида кремния и термическое плавление образующейся пыли (хотя используются альтернативные способы). В результате получается прозрачное стекло сверхвысокой чистоты и улучшенное оптическое пропускание в глубоком ультрафиолете. Один из распространенных методов включает добавление тетрахлорида кремния в водородно-кислородное пламя.

Качество продукции [ править ]

Плавленый кварц обычно прозрачен. Однако материал может стать полупрозрачным, если внутри него будут задерживаться небольшие пузырьки воздуха. Содержание воды (и, следовательно, пропускание инфракрасного излучения плавленого кварца и плавленого кварца) определяется производственным процессом. Пламенный материал всегда имеет более высокое содержание воды из-за комбинации углеводородов и кислорода, питающих печь, образуя гидроксильные [ОН] группы внутри материала. Материал ИК-класса обычно имеет содержание [ОН] ниже 10 частей на миллион.

Приложения [ править ]

В большинстве случаев применения плавленого кварца используется его широкий диапазон прозрачности, который простирается от УФ до ближнего ИК. Плавленый кремнезем является основным исходным материалом для оптического волокна , используемого в телекоммуникациях.

Благодаря своей прочности и высокой температуре плавления (по сравнению с обычным стеклом ) плавленый кварц используется в качестве оболочки для галогенных ламп и газоразрядных ламп высокой интенсивности , которые должны работать при высокой температуре оболочки, чтобы обеспечить сочетание высокой яркости и длительного срока службы. . Вакуумные лампы с кварцевыми оболочками обеспечивали радиационное охлаждение с помощью раскаленных анодов.

Из-за своей прочности плавленый кварц использовался в глубоких водолазных судах, таких как батисфера и бентоскоп . Плавленый кремнезем также используется для формирования иллюминаторов пилотируемых космических кораблей, в том числе космических челноков и Международной космической станции . [5]

Сочетание прочности, термостойкости и УФ-прозрачности делает его отличным субстратом для проекционных масок для фотолитографии .

ППЗУ с плавленым кварцевым окном в верхней части пакета

Его УФ-прозрачность также находит применение в полупроводниковой промышленности; EPROM или стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство , представляет собой тип памяти чипа , который сохраняет свои данные , когда его питание выключено, но которые могут быть удалены под воздействием сильного ультрафиолетового света. EPROM можно узнать по прозрачному окну из плавленого кварца, которое находится наверху корпуса, через которое виден кремниевый чип и которое позволяет подвергать воздействию ультрафиолетового света во время стирания. [ необходима цитата ]

Благодаря термостабильности и составу он используется в 5D оптических хранилищах данных [6] и в печах для изготовления полупроводников. [ необходима цитата ]

Плавленый кварц имеет почти идеальные свойства для изготовления зеркал первой поверхности, таких как те, что используются в телескопах . Материал ведет себя предсказуемо и позволяет изготовителю оптики нанести очень гладкую полировку на поверхность и получить желаемую фигуру с меньшим количеством итераций тестирования. В некоторых случаях плавленый кварц высокой чистоты для ультрафиолетового излучения использовался для изготовления нескольких отдельных непокрытых элементов линз специальных объективов, включая Zeiss 105 mm f / 4.3 UV Sonnar, объектив, ранее изготовленный для камеры Hasselblad, и Nikon UV-Nikkor 105 mm f / 4.5 (в настоящее время продается [ требуется уточнение ]как объектив Nikon PF10545MF-UV). Эти линзы используются для УФ-фотографии, так как кварцевое стекло имеет более низкий коэффициент затухания, чем линзы, изготовленные из более распространенных формул кремневого или коронного стекла.

Плавленый кварц можно металлизировать и травить для использования в качестве подложки для высокоточных микроволновых схем, а термостойкость делает его хорошим выбором для узкополосных фильтров и аналогичных требовательных приложений. Более низкая диэлектрическая постоянная, чем у оксида алюминия, позволяет использовать дорожки с более высоким импедансом или более тонкие подложки.

Плавленый кварц также используется для изготовления современных стеклянных инструментов, таких как стеклянная арфа и веррофон , а также для новых построек исторической стеклянной гармоники . Здесь превосходная прочность и структура плавленого кварца дает ему больший динамический диапазон и более чистый звук, чем у исторически используемого свинцового кристалла .

Применение огнеупорных материалов [ править ]

Плавленый кремнезем в качестве промышленного сырья используется для изготовления огнеупоров различных форм, таких как тигли, лотки, кожухи и ролики, для многих высокотемпературных термических процессов, включая выплавку стали , литье по выплавляемым моделям и производство стекла. Огнеупорные изделия из плавленого кварца обладают превосходной термостойкостью и химически инертны по отношению к большинству элементов и соединений, включая практически все кислоты, независимо от концентрации, за исключением плавиковой кислоты , которая очень реактивна даже при довольно низких концентрациях. Полупрозрачные трубки из плавленого кварца обычно используются для защиты электрических элементов комнатных обогревателей , промышленных печей и других подобных устройств.

Благодаря низкому механическому демпфированию при обычных температурах, он используется в высокодобротных резонаторах, в частности, в стеклянном резонаторе полусферического резонаторного гироскопа. [7] [8]

Посуда из кварцевого стекла иногда используется в химических лабораториях, когда стандартное боросиликатное стекло не выдерживает высоких температур или когда требуется высокое пропускание УФ-излучения. Стоимость продукции значительно выше, что ограничивает ее использование; его обычно находят в виде отдельного основного элемента, такого как труба в печи, или в виде колбы, элементов, находящихся под прямым воздействием тепла.

Физические свойства [ править ]

Чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения, около 5,5 ⋅ 10 -7 / K (20 ... 320 ° C), объясняет его замечательную способность выдерживать большие и быстрые изменения температуры без образования трещин (см. Термический удар ).

Фосфоресценция в плавленом кварце от чрезвычайно интенсивного импульса УФ-света в лампе-вспышке с центром на 170 нм

Плавленый кварц склонен к фосфоресценции и « соляризации » (пурпурное обесцвечивание) при интенсивном УФ-освещении, что часто наблюдается в лампах-вспышках . Синтетический плавленый кварц «УФ-класса» (продается под различными торговыми марками, включая «HPFS», «Spectrosil» и «Suprasil») имеет очень низкое содержание металлических примесей, что делает его более прозрачным для ультрафиолета. Оптика толщиной 1 см имеет коэффициент пропускания около 50% на длине волны 170 нм, который снижается до нескольких процентов при 160 нм. Однако его пропускание в инфракрасном диапазоне ограничено сильным водопоглощением на уровне 2,2 мкм и 2,7 мкм.

Плавленый кварц "инфракрасного качества" (торговые марки "Infrasil", "Vitreosil IR" и другие), который электрически сплавлен, имеет большее присутствие металлических примесей, что ограничивает длину волны пропускания УФ-излучения примерно до 250 нм, но гораздо более низкое содержание воды , что обеспечивает отличную передачу инфракрасного излучения на длине волны до 3,6 мкм. Все марки прозрачного плавленого кварца / плавленого кварца имеют почти одинаковые механические свойства.

Фосфоресценция кварцевой запальной трубки воздушной вспышки

Оптические свойства [ править ]

Оптическая дисперсия плавленого кварца может быть аппроксимирована с помощью следующего уравнения Зельмейера : [9]

где длина волны измеряется в микрометрах. Это уравнение действительно в диапазоне от 0,21 до 3,71 мкм и при 20 ° C. [9] Его применимость была подтверждена для длин волн до 6,7 мкм. [3] Экспериментальные данные для реальной (показатель преломления) и мнимой (показатель поглощения) частей комплексного показателя преломления плавленого кварца, представленные в литературе в спектральном диапазоне от 30 нм до 1000 мкм, были рассмотрены Китамурой и др. [3] и доступны в Интернете .

Типичные свойства прозрачного плавленого кварца [ править ]

  • Плотность : 2,203 г / см 3
  • Твердость : 5,3 ... 6,5 (шкала Мооса), 8,8 ГПа
  • Прочность на разрыв : 48,3 МПа
  • Прочность на сжатие :> 1,1 ГПа
  • Объемный модуль : ~ 37 ГПа
  • Модуль жесткости : 31 ГПа
  • Модуль Юнга : 71,7 ГПа
  • Коэффициент Пуассона : 0,17
  • Упругие постоянные Ламе : λ = 15,87 ГПа, μ = 31,26 ГПа.
  • Коэффициент теплового расширения : 5,5 ⋅ 10 −7 / K (в среднем от 20 до 320 ° C)
  • Теплопроводность : 1,3 Вт / (м · К)
  • Удельная теплоемкость : 45,3 Дж / (моль · К)
  • Температура размягчения : ≈1665 ° С
  • Точка отжига : ≈1140 ° C
  • Температура деформации : 1070 ° C
  • Удельное электрическое сопротивление :> 10 18 Ом · м
  • Диэлектрическая проницаемость : 3,75 при 20 ° C, 1 МГц
  • Магнитная восприимчивость : −11,28 ⋅ 10 −6 (СИ, 22 ° C) [10]
  • Коэффициент диэлектрических потерь : менее 0,0004 при 20 ° C 1 МГц, обычно 6 ⋅ 10 −5 при 10 ГГц [11]
  • Показатель преломления : n d = 1,4585 (при 587,6 нм)
  • Изменение показателя преломления в зависимости от температуры (0 ... 700 ° C) [ уточнить ] : 1,28 ⋅ 10 −5 / K (между 20 ... 30 ° C) [9]
  • Напряженно-оптические коэффициенты : p 11 = 0,113, p 12 = 0,252.
  • Постоянная Гамакера : A = 6,5 10 −20 Дж.
  • Диэлектрическая прочность : 250 ... 400 кВ / см при 20 ° C [12]
  • Поверхностное натяжение : 0,300 Н / м при 1800 ... 2400 ° C [13]
  • Число Аббе : Vd = 67,82 [14]

См. Также [ править ]

  • Викор
  • Состав жидкостей и стекол
  • Кварцевое волокно

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Кварц против плавленого кремнезема: в чем разница?" . Быстрое стекло . 2015-09-08 . Проверено 18 августа 2017 .
  2. ^ Де Йонг, Бернард HWS; Биркенс, Рууд GC; Ван Ниджнаттен, Питер А. (2000). "Стекло". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . DOI : 10.1002 / 14356007.a12_365 . ISBN 3-527-30673-0.
  3. ^ a b c Китамура, Рей; Пилон, Лоран; Йонас, Мирослав (19 ноября 2007 г.). "Оптические константы кварцевого стекла от крайнего ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона при температурах, близких к комнатной" (PDF) . Прикладная оптика . 46 (33): 8118–8133. Bibcode : 2007ApOpt..46.8118K . DOI : 10,1364 / AO.46.008118 . PMID 18026551 . Проверено 12 июля 2014 .  
  4. ^ Химическая чистота плавленого кварца / плавленого кварца , www.heraeus-quarzglas.com
  5. ^ Салем, Джонатан (2012). «Прозрачная бронекерамика как иллюминаторы космических аппаратов» . Журнал Американского керамического общества .
  6. ^ Казанский, П .; и другие. (11 марта 2016 г.). «Вечное хранение данных 5D с помощью сверхбыстрой лазерной записи в стекле» . Отдел новостей SPIE.
  7. ↑ Обзор технологии инерционного зондирования MEMS , 1 февраля 2003 г.
  8. ^ Пенн, Стивен Д .; Гарри, Грегори М .; Гретарссон, Андри М .; Киттельбергер, Скотт Э .; Солсон, Питер Р .; Шиллер, Джон Дж .; Smith, Joshua R .; Мечи, Сол О. (2001). «Высокая добротность, измеренная в плавленом кварце». Обзор научных инструментов . 72 (9): 3670–3673. arXiv : gr-qc / 0009035 . Bibcode : 2001RScI ... 72.3670P . DOI : 10.1063 / 1.1394183 . S2CID 11630697 . 
  9. ^ a b c Малитон, штат Айленд (октябрь 1965 г.). «Межпредметное сравнение показателя преломления плавленого кремнезема» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки . 55 (10): 1205–1209. Bibcode : 1965JOSA ... 55.1205M . DOI : 10.1364 / JOSA.55.001205 . Проверено 12 июля 2014 .
  10. ^ Wapler, MC; Leupold, J .; Dragonu, I .; von Elverfeldt, D .; Зайцев, М .; Уоллрабе, У. (2014). «Магнитные свойства материалов для MR техники, микро-MR и не только». JMR . 242 : 233–242. arXiv : 1403,4760 . Bibcode : 2014JMagR.242..233W . DOI : 10.1016 / j.jmr.2014.02.005 . PMID 24705364 . S2CID 11545416 .  
  11. ^ "Keysight Technologies GENESYS Concepts" (PDF) . Keysight Technologies .
  12. ^ "Плавленый кремнезем" . OpticsLand . Архивировано из оригинала на 2013-06-02 . Проверено 27 февраля 2016 .
  13. ^ Измерение поверхностного натяжения и вязкости оптических стекол с помощью сканирующего CO2-лазера
  14. ^ «Показатель преломления плавленого кварца (плавленый кварц)» . Показатель преломления . Проверено 18 августа 2017 .

Внешние ссылки [ править ]

  • "Frozen Eye, чтобы открыть новые миры" Popular Mechanics , июнь 1931 г. General Electrics, West Lynn Massachusetts Labs работает над большими блоками плавленого кварца