Плавленый кварц

Не путать с шокированным кварцем .

Эта сфера из плавленого кварца была изготовлена ​​для использования в гироскопе в Gravity Probe B. эксперименте Это одна из самых точных сфер, когда-либо созданных, ее толщина отклоняется от идеальной не более чем на 40 атомов.

Плавленый кварц , плавленый кварц или кварцевое стекло — стекло, состоящее из почти чистого кремнезема (диоксида кремния, SiO ₂ ) в аморфной (некристаллической ) форме. Это отличается от всех других коммерческих стекол, таких как натриево-известковое стекло , свинцовое стекло или боросиликатное стекло , в которое добавляются другие ингредиенты, которые изменяют оптические и физические свойства стекол, такие как снижение температуры плавления, спектрального диапазона пропускания, или механическая прочность. Таким образом, плавленый кварц имеет высокие рабочие температуры и температуры плавления, что затрудняет его формование и делает его менее желательным для большинства распространенных применений, но он намного прочнее, более химически устойчив и демонстрирует более низкое тепловое расширение , что делает его более подходящим для многих специализированных применений, таких как освещение и научные применения.

Термины плавленый кварц и плавленый кварц используются как взаимозаменяемые, но могут относиться к разным технологиям производства, что приводит к разным следовым примесям. Однако плавленый кварц, находясь в стеклообразном состоянии , имеет совершенно другие физические свойства по сравнению с кристаллическим кварцем, несмотря на то, что он состоит из того же вещества. Благодаря своим физическим свойствам он находит специальное применение полупроводников , например, в производстве и лабораторном оборудовании.

По сравнению с другими распространенными стеклами, оптическое пропускание чистого кремнезема хорошо распространяется на ультрафиолетовые и инфракрасные длины волн, поэтому он используется для изготовления линз и другой оптики для этих длин волн. В зависимости от производственных процессов примеси будут ограничивать оптическое пропускание, в результате чего коммерческие сорта плавленого кварца оптимизированы для использования в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Низкий коэффициент теплового расширения плавленого кварца делает его полезным материалом для прецизионных подложек зеркал или оптических плоских поверхностей .

Производство

Плавленый кварц получают путем плавления (плавления) кварцевого песка высокой чистоты, состоящего 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 производится путем плавления порошка кристаллов кварца в высокотемпературном пламени.
• Тип III получают сжиганием SiCl ₄ в водородно - кислородном пламени.
• Тип IV получают путем сжигания SiCl ₄ в плазменном пламени, не содержащем водяных паров.

Кварц содержит только кремний и кислород, хотя промышленное кварцевое стекло часто содержит примеси. Двумя доминирующими примесями являются алюминий и титан. которые влияют на оптическое пропускание ультрафиолетовых волн. Если в процессе производства присутствует вода, гидроксильные (ОН) группы могут внедряться, что снижает пропускание инфракрасного излучения.

Слияние

Плавка осуществляется при температуре примерно 2200 ° C (4000 ° F) с использованием либо печи с электрическим нагревом (с электрическим плавлением), либо печи, работающей на газе / кислороде (с пламенным плавлением). Плавленый кварц может быть изготовлен практически из любого химического предшественника, богатого кремнием , обычно с использованием непрерывного процесса, который включает пламенное окисление летучих соединений кремния до диоксида кремния и термическое плавление полученной пыли (хотя используются и альтернативные процессы). 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

Плавленый кварц обычно прозрачен. Однако материал может стать полупрозрачным, если внутри останутся небольшие пузырьки воздуха. Содержание воды (и, следовательно, пропускание инфракрасного излучения) в плавленом кварце определяется производственным процессом. Материал, сваренный в пламени, всегда имеет более высокое содержание воды из-за сочетания углеводородов и кислорода, питающих печь, образующих гидроксильные [OH] группы внутри материала. Материал класса IR обычно имеет содержание [OH] ниже 10 частей на миллион.

Приложения

Во многих оптических применениях плавленого кварца используется его широкий диапазон прозрачности, который может простираться до ультрафиолетового и ближнего инфракрасного диапазона. Плавленый кварц 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, чтобы обеспечить сочетание высокой яркости и длительного срока службы. . В некоторых мощных электронных лампах использовались кварцевые оболочки, хорошее пропускание инфракрасных волн которых способствовало радиационному охлаждению их раскаленных анодов .

Из-за своей физической прочности плавленый кварц использовался в глубоководных кораблях, таких как батисферы и бентоскопы , а также в окнах пилотируемых космических кораблей, включая космические челноки и Международную космическую станцию . Плавленый кварц использовался также при разработке композитной брони .

В полупроводниковой промышленности сочетание прочности, термической стабильности и прозрачности для УФ-излучения делает его превосходной подложкой для проекционных масок для фотолитографии .

СППЗУ . с окном из плавленого кварца в верхней части корпуса

Его УФ-прозрачность также находит применение в качестве окон в EPROM (стираемом программируемом постоянном запоминающем устройстве ), типе энергонезависимой микросхемы памяти , которая стирается под воздействием сильного ультрафиолетового света. СППЗУ можно узнать по прозрачному окну из плавленого кварца (хотя в некоторых более поздних моделях используется смола, прозрачная для УФ-излучения), которое находится в верхней части корпуса, через которое кремниевый виден чип и которое пропускает ультрафиолетовый свет для стирания.

Благодаря термической стабильности и составу он используется в оптическом хранении 5D-данных. и в печах для изготовления полупроводников.

Плавленый кварц обладает почти идеальными свойствами для изготовления зеркал первой поверхности, таких как те, которые используются в телескопах . Материал ведет себя предсказуемым образом и позволяет производителю оптики очень гладко отполировать поверхность и получить желаемую фигуру с меньшим количеством итераций тестирования. В некоторых случаях плавленый кварц высокой чистоты для УФ-излучения использовался для изготовления нескольких отдельных элементов линз без покрытия в объективах специального назначения, включая Zeiss 105 мм f/4.3 UV Sonnar, объектив, ранее изготавливавшийся для камеры Hasselblad, и объектив Nikon UV-Nikkor 105 мм f/4,5 (в настоящее время продается как Nikon PF10545MF-UV). Эти линзы используются для УФ-фотографии, поскольку кварцевое стекло может быть прозрачным при гораздо более коротких длинах волн, чем линзы, изготовленные из более распространенных рецептур кремневого стекла или кронового стекла.

Плавленый кварц можно металлизировать и травить для использования в качестве подложки для высокоточных микроволновых схем, а его термическая стабильность 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.

Применение огнеупорных материалов

Плавленый кварц в качестве промышленного сырья используется для изготовления различных огнеупорных форм, таких как тигли, лотки, кожухи и ролики, для многих высокотемпературных термических процессов, включая производство стали , литье по выплавляемым моделям и производство стекла. Огнеупорные формы 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 весьма реакционноспособна даже в достаточно низких концентрациях. Полупрозрачные трубки из плавленого кварца обычно используются для обшивки электрических элементов в комнатных обогревателях , промышленных печах и других подобных устройствах.

Благодаря малому механическому демпфированию при обычных температурах его применяют для высокодобротных резонаторов, в частности, для рюмочного резонатора полусферического резонатора-гироскопа. По той же причине плавленый кварц также используется для изготовления современных стеклянных инструментов, таких как стеклянная арфа и веррофон , а также для новых моделей исторической стеклянной гармошки , что придает этим инструментам больший динамический диапазон и более чистый звук, чем у обычных стеклянных гармоник. исторически используемый свинцовый хрусталь .

Посуда из кварцевого стекла иногда используется в химических лабораториях, когда стандартное боросиликатное стекло не выдерживает высоких температур или когда требуется высокое пропускание ультрафиолета. Стоимость продукции значительно выше, что ограничивает ее использование; обычно он встречается в виде одного основного элемента, такого как трубка в печи, или в виде колбы, элементов, находящихся под прямым воздействием тепла.

Свойства плавленого кварца

Крайне низкий коэффициент теплового расширения, около 5,5 × 10. ⁻⁷ /K (20–320 °C) объясняет его замечательную способность выдерживать большие и быстрые изменения температуры без растрескивания (см. Термический удар ).

Фосфоресценция в плавленом кварце от чрезвычайно интенсивного импульса УФ-излучения в лампе-вспышке с длиной волны 170 нм.

Плавленый кварц склонен к фосфоресценции и « соляризации » (фиолетовому обесцвечиванию) под интенсивным УФ-освещением, что часто наблюдается в лампах-вспышках . Синтетический плавленый кварц «УФ-класса» (продаваемый 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 падает до нескольких процентов на длине волны 160 нм. Однако его инфракрасное пропускание ограничено сильным поглощением воды на длинах волн 2,2 мкм и 2,7 мкм.

Плавленый кварц «инфракрасного класса» (торговые названия «Инфрасил», «Витреосил IR» и другие), который подвергается электрическому плавлению, имеет большее присутствие металлических примесей, ограничивающих длину волны пропускания УФ-излучения примерно до 250 нм, но с гораздо меньшим содержанием воды. , что обеспечивает превосходную передачу инфракрасного излучения с длиной волны до 3,6 мкм. Все марки прозрачного плавленого кварца/кремнезема имеют практически одинаковые механические свойства.

Показатель преломления

Оптическая дисперсия плавленого кварца может быть аппроксимирована следующим уравнением Селлмейера :

$\varepsilon =n^{2}=1+{\frac {0.6961663\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0.0684043^{2}}}+{\frac {0.4079426\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0.1162414^{2}}}+{\frac {0.8974794\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-9.896161^{2}}},$

где длина волны $\lambda$ измеряется в микрометрах. Это уравнение справедливо в диапазоне от 0,21 до 3,71 мкм и при 20 °C. Его справедливость была подтверждена для длин волн до 6,7 мкм. Представленные в литературе экспериментальные данные для действительной (показатель преломления) и мнимой (показатель поглощения) частей комплексного показателя преломления плавленого кварца в спектральном диапазоне от 30 нм до 1000 мкм были рассмотрены Китамурой и др. и доступны в Интернете .

Его довольно высокое число Аббе 67,8 делает его одним из стекол с самой низкой дисперсией в видимом диапазоне волн, а также имеет исключительно низкий показатель преломления в видимом диапазоне ( n _d = 1,4585). Обратите внимание, что плавленый кварц имеет совершенно другой и более низкий показатель преломления по сравнению с кристаллическим кварцем , который обладает двойным лучепреломлением с показателями преломления n _o = 1,5443 и n _e = 1,5534 на той же длине волны. Хотя эти формы имеют одинаковую химическую формулу, их разная структура приводит к разным оптическим и другим физическим свойствам.

Список физических свойств

• Плотность : 2,203 г/см. ³
• Твердость : 5,3–6,5 (по шкале Мооса), 8,8 ГПа.
• Предел прочности : 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 константы Ламе : λ = 15,87 ГПа, μ = 31,26 ГПа.
• Коэффициент теплового расширения : 5,5 × 10 ⁻⁷ /К (в среднем 20–320 °С)
• Теплопроводность : 1,3 Вт/(м·К)
• Удельная теплоемкость : 45,3 Дж/(моль·К)
• Температура размягчения : ≈ 1665 °C.
• Точка отжига : ≈ 1140 °C.
• Температура деформации : 1070 °C.
• Электрическое сопротивление : > 10 ¹⁸ О·м
• Диэлектрическая проницаемость : 3,75 при 20 °C, 1 МГц.
• Коэффициент диэлектрических потерь : менее 0,0004 при 20 °C, 1 МГц, обычно 6 × 10. ⁻⁵ на частоте 10 ГГц
• Диэлектрическая прочность : 250–400 кВ/см при 20 °C.
• Магнитная восприимчивость : −11,28 × 10 ⁻⁶ (СИ, 22 °С)
• Константа Гамакера : A = 6,5 × 10. ⁻²⁰ Дж.
• Поверхностное натяжение : 0,300 Н/м при 1800–2400 °C.
• Индекс преломления : n _d = 1,4585 (при 587,6 нм)
• Изменение показателя преломления с температурой: 1,28 × 10 ⁻⁵ /К (20–30 °С)
• Диапазон пропускания : Отсечка – от 160 до 5000 нм, с глубокой полосой поглощения при 2730 нм. Лучший коэффициент пропускания – от 180 до 2700 нм.
• Стрессо-оптические коэффициенты : р ₁₁ = 0,113, р ₁₂ = 0,252.
• Число Аббе : Vd = 67,82.

См. также

• Кварцевое волокно
• Строение жидкостей и стекол
• Викор

Внешние ссылки

• «Замороженный глаз, чтобы открыть новые миры» Popular Mechanics , июнь 1931 г. Лаборатории General Electric, Вест-Линн, Массачусетс, работают над большими блоками плавленого кварца.