Для производства кварцевых трубчатых нагревателей, из которых производятся и все остальные кварцевые панели Полимернагрев, используются кварцевые трубки. Мы используем трубки из кварцевого стекла только самого высокого качества, которые, как и остальные комплектующие для наших нагревателей, мы закупаем у проверенных ведущих производителей. В данной статье мы расскажем вам о различных методах производства кварцевого стекла.
Первое, что нужно знать о кварце и плавленом кварце, это то, что они оба в основном состоят из одного и того же ингредиента: кремнезема, также известного как диоксид кремния. Силикагель имеет химическую формулу SiO2 и является основным компонентом большинства видов стекла. Основной формой, в которой кремнезем встречается в природе, является минерал кварц: твердый прозрачный кристаллический материал, составляющий заметную часть земной коры. Хотя кварц в основном состоит из кремнезема, он также содержит встречающиеся в природе примеси в различных пропорциях в зависимости от его геологического происхождения.
Итак, кремнезем — это специфическое химическое соединение, диоксид кремния, с химической формулой SiO2 . С другой стороны, кварц представляет собой встречающийся в природе кристаллический минерал, который состоит в основном из кремнезема, но содержит некоторые примеси.
Кристаллические и аморфные твердые тела
Чтобы полностью понять различия между различными материалами на основе диоксида кремния, нам сначала необходимо рассмотреть фундаментальные различия между кристаллическими и аморфными твердыми телами.
Различие сводится к тому, как атомы расположены внутри твердых тел. В кристаллическом твердом теле составляющие его атомы расположены в регулярном повторяющемся порядке, известном как кристаллическая решетка. Кварц является примером кристаллического материала на основе кремнезема: атомы кремния и кислорода расположены в четко определенной упорядоченной структуре.
Однако в аморфном твердом теле атомы не имеют дальнего порядка. На первый взгляд случайное расположение молекул в аморфном твердом теле напоминает расположение жидкости, за исключением того, что они зафиксированы на месте и не перемещаются. Большинство материалов, которые мы считаем «стеклом», представляют собой аморфные твердые тела: фактически любой материал с аморфной атомной структурой можно описать как «стекловидный».
Независимо от того, расположены ли атомы упорядоченно или ориентированы случайным образом, это может сильно повлиять на характеристики материала. Одним из наиболее ярких примеров является эффект стеклования аморфных твердых тел. За пределами мира кремнезема или других материалов на основе оксидов неупорядоченные «стекловидные» металлы часто используются из-за их необычных механических характеристик по сравнению с обычными металлами.
Материалы на основе кремнезема, такие как кварц, можно охарактеризовать как с точки зрения их химического состава, так и с точки зрения того, являются ли они кристаллическими или аморфными.
Определение материалов на основе диоксида кремния
Теперь, когда мы рассмотрели некоторые важные основы, мы можем определить различия между кварцем, плавленым кварцем и другими материалами на основе кварца.
-
Кварц
Как упоминалось ранее, кварц является основной формой, в которой кремнезем встречается в природе. Кварц представляет собой кристаллическое твердое вещество; поэтому, хотя он может напоминать стекло как по внешнему виду, так и по химическому составу, он имеет очень отличные от стекла свойства.
Промышленное применение кварца (то есть кристаллического минерала) ограничено, но включает в себя кварцевые генераторы в электронных системах, чаще всего в наручных часах.
Возможно, это сбивает с толку, но «синтетический кварц» можно производить для промышленных кварцевых применений. Возможно, его лучше было бы назвать кристаллическим кремнеземом, но его часто называют просто «кварцем». -
Плавленый кварц и плавленый кремнезем
Здесь слово «плавленый» относится к стадии обработки: плавленый кварц — это номинально чистый кварц, который был расплавлен и охлажден с образованием стеклообразного аморфного твердого вещества. Плавленый кремнезем во многом напоминает другие стекла; но он не содержит никаких добавок. Плавленый кварц — это специальный материал с рядом высокоэффективных применений. Термины «плавленый кварц» и «плавленый кремнезем» часто используются взаимозаменяемо. Точнее, «плавленый кварц» относится к аморфному твердому веществу, образованному путем плавления природного кварца. Таким образом, в то время как плавленый кремнезем якобы представляет собой чистый SiO2 , плавленый кварц содержит примеси в зависимости от используемого кварца.
Применение плавленого кремнезема
Плавленый кварц химически похож на кварц, но его аморфная структура придает ему ряд отличительных и весьма желательных тепловых, механических и электрических свойств.
Стекла обычно содержат добавки, такие как щелочь, щелочноземельные металлы или другие оксиды, для снижения температуры обработки стекла (плавления) и улучшения химических и физических свойств, но плавленый кварц очень чистый. Следовательно, оно имеет более высокие рабочие температуры, но обладает отличными от других стекол характеристиками.
Плавленый кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения, что означает, что он не расширяется и не сжимается сильно при нагревании или охлаждении. В результате плавленый кварц обладает высокой устойчивостью к тепловому удару и может выдерживать очень быстрое нагревание или охлаждение без образования трещин. Термические характеристики плавленого кварца делают его очень ценным для изготовления высокотемпературных промышленных компонентов, таких как тигли, лотки и лодочки для производства стали и стекла.
Плавленый кварц прозрачен для очень широкого спектра света, от глубокого ультрафиолета до дальнего инфракрасного. Это делает его ключевым компонентом в оптических волокнах, а также в ряде линз, зеркал и другой оптики, пропускающей ультрафиолетовое или инфракрасное излучение.
Плавленый кварц также чрезвычайно химически инертен и устойчив к большинству кислот (за заметным исключением плавиковой кислоты). Эта химическая инертность позволяет применять плавленый кварц в биомедицинских целях, часто принимая форму пористого кварца.
Сочетание термической стабильности, прозрачности и прочности делает плавленый кварц хорошим кандидатом для новых и развивающихся приложений, таких как подложки для фотолитографии, вытравленные микроволновые схемы и в качестве защитного слоя в полупроводниковых устройствах.
Существует два основных способа производства плавленого кварца. В первом способе используется кварц высокой чистоты или другие минералы, содержащие диоксид кремния, которые сплавляются с использованием различных источников тепла. Этот класс материалов называется плавленым кварцем. Другой называется плавленым кремнеземом и использует на старте газообразные химикаты, содержащие кремний (например, SiCl4), которые сжигаются в присутствии кислорода с образованием диоксида кремния.
Плавленый кварц
Электроплавка
Электрическая плавка является наиболее часто используемым процессом плавки для производства кварцевого стекла. Можно использовать два метода электроплавки:
- Непрерывная плавка.
При непрерывном методе плавления кварцевый песок засыпается в верхнюю часть вертикальной плавильной печи, состоящей из тигля из тугоплавкого металла, окруженного электрическими нагревательными элементами. Внутренняя часть поддерживается в нейтральной или слегка восстановительной атмосфере, которая предотвращает реакцию кремнезема с тугоплавким металлом. Расплавленный материал находится в нижнем отверстии тигля, форма которого позволяет производить стержни, трубы или пластины или другие изделия различных размеров. - Плавка периодического действия.
В методе периодического плавления большое количество сырья помещается в вакуумную камеру с огнеупорной футеровкой, которая также содержит нагревательные элементы. Хотя этот метод исторически использовался для производства больших одиночных шариков материала, его также можно адаптировать для производства гораздо меньших форм, почти чистых.
Чистота в основном определяется степенью очистки сырья и используемым процессом. Мы сотрудничаем с производителями, которые используют только кварцевый песок очень высокой степени очистки в сочетании со строгим контролем качества для производства своей продукции.
Плавление в пламени
Исторически сложилось так, что первым методом производства плавленого кварца было мелкомасштабное плавление кристаллов кварца в пламени. Сегодня плавленый кварц производится в больших масштабах с помощью непрерывного процесса, в котором высокоочищенный кварцевый песок подается через высокотемпературное пламя и осаждается на поверхности расплава, содержащегося в резервуаре, футерованном огнеупорным материалом. Вязкий расплав медленно отводится через фильеру на дне этого резервуара и затвердевает в форме, определяемой фильерой. Таким способом можно получить слиток прозрачного плавленого кварца необходимого сечения (круглого, прямоугольного или полого), который через определенные промежутки времени отрезается и извлекается для дальнейшей обработки.
Плавленый кремнезем
В этом процессе кремнийсодержащие прекурсоры (например, тетрахлорид кремния; STC) сжигаются в присутствии кислорода с образованием наночастиц диоксида кремния, также называемых сажей. Поскольку прекурсоры специально производятся и очищаются, они доступны с исключительно высокой чистотой, а получаемый плавленый кварц имеет очень низкое содержание металлических примесей.
Поскольку в производственном процессе участвуют пары химических веществ (прекурсоры, содержащие кремний), он называется химическим осаждением из паровой фазы (CVD). Существует два набора семейств процессов: в одном случае осажденные наночастицы непосредственно расплавляются до слоя конденсированного плавленого кварца, а в другом сажа накапливается и на вторичном этапе процесса конденсируется в прозрачный плавленый кварц (этот процесс называется стеклованием).
Производство плавленого кварца в одну стадию
-
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
Для производства стержней сердцевины оптического волокна напыление плавленого кварца с определенным показателем преломления выполняется внутри трубок из плавленого кварца. Химические вещества подаются в трубку газом-носителем. Реакция с образованием сажи запускается источником тепла. Используются различные источники тепла, и они различают особенности процесса CVD. Источником тепла может быть пламя (MCVD), печь (FCVD) или плазма (PCVD). Все непрореагировавшие газы обрабатываются в скруббере.
-
Плазменное внешнее осаждение (POD)
В этом процессе плазменный источник тепла используется для «сжигания» химических прекурсоров и нанесения тонкого слоя стекла на вращающуюся основу. Основой может быть трубка или сплошной стержень, не обязательно круглый. Из-за высокой температуры плазмы этот процесс лучше всего подходит для производства плавленого кварца, легированного фтором. Достижимое максимальное содержание фтора в кремнеземе зависит от температуры осаждения. Существует ограничение на максимальное содержание фтора, поскольку фтор также вытравливает плавленый кварц. Чем выше содержание фтора в газах, тем медленнее происходит осаждение.
Плазменное осаждение снаружи обычно используется для производства кремнезема, легированного фтором, который имеет более низкий показатель преломления, чем нелегированный плавленый кварц. Эта разница в показателе преломления необходима для оптических волокон. Доступные продукты представляют собой трубки и стержни с высоким содержанием фтора.
Двухстадийное производство плавленого кварца
В этом процессе сажа осаждается на вращающемся стержне-сердцевине (внешнее осаждение из паровой фазы; OVD) или на конце стержня, вытянутом вверх (осевое осаждение из паровой фазы; VAD). Сажа накапливается и образует пористое тело с плотностью менее 25% от плотности плавленого кварца. Затем это пористое тело последовательно остекловывается до прозрачного плавленого кварца. Из-за его высокой поверхности пористое тело легко легировать. В волоконно-оптической промышленности водород заменяется хлором на стадии обезвоживания перед стеклованием сажевого тела.
Кварц широко используется в самых различных сферах, а трубки из кварцевого стекла применяются для производства трубчатых инфракрасных нагревателей различных типов: кварцевых, галогенных или карбоновых.
