Плавленый кварц, плавленый кварц или кварцевое стекло - 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 кварц 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 прецизионных зеркальных подложек. [2]
Производство
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 путем индукционной плавки 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 путем сжигания SiCl 4 в пламени плазмы, свободной от водяного пара. [3]
Кварц содержит только кремний и кислород, хотя коммерческое кварцевое стекло часто содержит примеси. Преобладающие примеси - алюминий и титан . [4]
Слияние
Плавление осуществляется при температуре приблизительно 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. [ необходима цитата ]
Качество продукции
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. Материал, плавящийся пламенем, 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. [ необходима цитата ]
Приложения
Большинство применений плавленого кварца используют его широкий диапазон прозрачности, который простирается от УФ до ближнего ИК. Плавленый кремнезем является основным исходным материалом для оптического волокна , используемого в телекоммуникациях.
Из-за своей прочности и высокой температуры 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 для достижения сочетания 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 .
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 (хотя в некоторых более поздних моделях используется УФ-прозрачная смола), которое находится наверху корпуса, через которое виден кремниевый чип и которое позволяет подвергать воздействию УФ-излучения во время стирания. [6] [7]
Благодаря термостойкости и составу он используется в 5D оптических хранилищах данных [8] и в печах для изготовления полупроводников. [ необходима цитата ]
Плавленый кварц имеет почти идеальные свойства для изготовления зеркал первой поверхности, таких как те, которые 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 УФ-класса использовался для изготовления нескольких отдельных непокрытых элементов линз специальных объективов, в том числе Zeiss 105 mm f / 4.3 UV Sonnar, объектива, ранее сделанного для камеры Hasselblad, и объектив Nikon UV-Nikkor 105 mm f / 4.5 (в настоящее время продается [ требуется уточнение ] как 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 может быть металлизирован и травлен для использования в качестве подложки для высокоточных микроволновых схем, термостабильность делает его хорошим выбором для узкополосных фильтров и аналогичных требовательных приложений. Более низкая диэлектрическая проницаемость, 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 придают ему больший динамический диапазон и более чистый звук, чем у исторически использовавшегося свинцового кристалла .
Применение огнеупорных материалов
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 в комнатных обогревателях , промышленных печах и других подобных устройствах.
Благодаря низкому механическому демпфированию при обычных температурах, он используется в высокодобротных резонаторах, в частности, в стеклянном резонаторе полусферического резонаторного гироскопа. [9] [10]
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 единственного базового элемента, такого как труба в печи, или в виде колбы, элементов, находящихся под прямым воздействием тепла.
Физические свойства
Чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения, около 5,5 ⋅ 10 -7 / K (20 ... 320 ° C), объясняет его замечательную способность претерпевать большие и быстрые изменения температуры без образования трещин (см. Термический удар ).
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 его 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.
Оптические свойства
Оптическая дисперсия плавленого кварца может быть аппроксимирована с помощью следующего уравнения Зельмейера : [11]
где длина волны измеряется в микрометрах. Это уравнение действительно в диапазоне от 0,21 до 3,71 мкм и при 20 ° C. [11] 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
- 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) [12]
- Коэффициент диэлектрических потерь : менее 0,0004 при 20 ° C 1 МГц, обычно 6 ⋅ 10 −5 при 10 ГГц [13]
- 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) [11]
- 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 [14]
- Поверхностное натяжение : 0,300 Н / м при 1800 ... 2400 ° C [15]
- Число Аббе : Vd = 67,82 [16]
Смотрите также
- Викор
- Состав жидкостей и стекол
- Кварцевое волокно
Рекомендации
- ^ "Кварц против плавленого кремнезема: в чем разница?" . Быстрое стекло . 2015-09-08 . Проверено 18 августа 2017 .
- ^ 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.
- ^ а б в 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 .
- ^ Химическая чистота плавленого кварца / плавленого кварца , www.heraeus-quarzglas.com
- ^ Салем, Джонатан (2012). «Прозрачная бронекерамика как иллюминаторы космических аппаратов» . Журнал Американского керамического общества .
- ^ «Intel 1702A 2K (256 x 8) УФ-стираемая ППЗУ» (PDF) .
- ^ «История ЦП - СППЗУ» . www.cpushack.com . Проверено 12 мая 20 .
- ^ Казанский, П .; и другие. (11 марта 2016 г.). «Вечное хранение данных 5D с помощью сверхбыстрой лазерной записи в стекле» . Отдел новостей SPIE.
- ↑ Обзор технологии инерционного зондирования MEMS , 1 февраля 2003 г.
- ^ 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 .
- ^ а б в Малицон, IH (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 .
- ^ Wapler, MC; Leupold, J .; Dragonu, I .; фон Эльверфельдт, Д .; 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 .
- ^ "Keysight Technologies GENESYS Concepts" (PDF) . Keysight Technologies .
- ^ «Плавленый кремнезем» . OpticsLand . Архивировано из оригинала на 2013-06-02 . Проверено 27 февраля 2016 .
- ^ Измерение поверхностного натяжения и вязкости оптических стекол с помощью сканирующего CO2-лазера
- ^ «Показатель преломления плавленого кварца (плавленого кварца)» . Показатель преломления . Проверено 18 августа 2017 .
Внешние ссылки
- «Frozen Eye, чтобы открыть новые миры» Popular Mechanics , июнь 1931 г. General Electrics, West Lynn Massachusetts Labs работает над большими блоками плавленого кварца.