Плавленый кварц

Стекло, состоящее из чистого кремнезема

Эта сфера из плавленого кварца была изготовлена ​​для использования в гироскопе в эксперименте Gravity Probe B. Это одна из самых точных сфер, когда-либо созданных, ее толщина отклоняется от идеальной не более чем на 40 атомов. ^[1]

Плавленый кварц, плавленый кварц или кварцевое стекло — стекло , состоящее из практически чистого кремнезема (диоксида кремния, SiO ₂ ) в аморфной (некристаллической ) форме. Это отличается от всех других коммерческих стекол , в которые добавляются другие ингредиенты, которые изменяют оптические и физические свойства стекол, например, снижают температуру плавления. Таким образом, плавленый кварц имеет высокие рабочие температуры и температуры плавления, что делает его менее желательным для большинства распространенных применений.

Термины плавленый кварц и плавленый кварц используются как взаимозаменяемые, но могут относиться к разным технологиям производства, как указано ниже, что приводит к различным следовым примесям. Однако плавленый кварц, находясь в стеклообразном состоянии , имеет совершенно иные физические свойства по сравнению с кристаллическим кварцем . ^[2] Благодаря своим физическим свойствам он находит специальное применение , например, в производстве полупроводников 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 диапазоне или (тогда его чаще называют плавленым кварцем) в ультрафиолете. Низкий коэффициент теплового расширения плавленого кварца делает его полезным материалом для изготовления прецизионных подложек зеркал. ^[3]

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. ^[4]

Кварц содержит только кремний и кислород, хотя промышленное кварцевое стекло часто содержит примеси. Двумя доминирующими примесями являются алюминий и титан ^[5] , которые влияют на оптическое пропускание ультрафиолетовых волн. Если в производственном процессе 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). ^[6] 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. ^{[ нужна цитата ]}

Качество продукта

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. ^[7]

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 . ^[8] Плавленый кварц использовался также при разработке композитной брони . ^[9]

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 виден кремниевый чип и которое пропускает ультрафиолетовый свет для стирания. ^{[10] [11]}

Благодаря термической стабильности и составу он используется в 5D-оптических хранилищах данных ^[12] и в печах для изготовления полупроводников. ^{[13] [14]}

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. ^{[15] [16]} По той же причине плавленый кварц также является материалом, используемым для современных стеклянных инструментов, таких как стеклянная арфа и веррофон , а также используется для новых моделей исторической стеклянной гармоники , что придает этим инструментам больший динамический диапазон. и более чистый звук, чем при использовании традиционно используемого свинцового хрусталя .

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

Чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения, около5,5 × 10 ^-7 / К (20–320 ° C), что 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 «Infrasil», «Vitreosil 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 : ^[17]

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

где длина волны измеряется в микрометрах. Это уравнение справедливо в диапазоне от 0,21 до 3,71 мкм и при 20 °C. ^[17] Его справедливость была подтверждена для длин волн до 6,7 мкм. ^[4] 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 приведены в обзоре Kitamura et al. ^[4] и доступны в Интернете. ${\displaystyle \lambda }$

Его довольно высокое число Аббе , равное 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 °C).
• 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  Ом·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 ^при 10 ГГц ^[18]
• Диэлектрическая прочность : 250–400 кВ/см при 20 °C ^[19]
• Магнитная восприимчивость : −11,28 × 10 ⁻⁶ (SI, 22 °C) ^[20]
• Константа Гамакера : A = 6,5 × 10 ^-20 Дж.
• Поверхностное натяжение : 0,300 Н/м при 1800–2400 °C ^[21]
• Индекс преломления : n _d = 1,4585 (при 587,6 нм)
• Изменение показателя преломления с температурой: 1,28 × 10 ⁻⁵ /К (20–30 °С) ^[17]
• Стрессо-оптические коэффициенты : р ₁₁ = 0,113, р ₁₂ = 0,252.
• Число Аббе : Vd = 67,82 ^[22]

Смотрите также

• Кварцевое волокно
• Строение жидкостей и стекол
• Викор

Рекомендации

1. Хардвуд, В. (20 апреля 2004 г.). «Космический корабль запущен для проверки теории Альберта Эйнштейна». Космический полет сейчас . Проверено 14 мая 2009 г.
2. «Кварц против плавленого кварца: в чем разница?». Свифт Гласс . 08.09.2015 . Проверено 18 августа 2017 г.
3. Де Йонг, Бернард HWS; Беркенс, Рууд Г.К.; Ван Нийнаттен, Питер А. (2000). "Стекло". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a12_365. ISBN 3-527-30673-0.
4. Китамура, Рей; Пилон, Лоран; Йонаш, Мирослав (19 ноября 2007 г.). «Оптические константы кварцевого стекла от крайнего ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона при температуре, близкой к комнатной» (PDF) . Прикладная оптика . 46 (33): 8118–8133. Бибкод : 2007ApOpt..46.8118K. дои : 10.1364/AO.46.008118. PMID  18026551. S2CID  17169097 . Проверено 12 июля 2014 г.
5. Химическая чистота плавленого кварца / кварца, www.heraeus-quarzglas.com
6. Варшнея, Арун К. (2019). Основы неорганических стекол. Джон К. Мауро. Амстердам. ISBN 978-0-12-816226-2. ОСЛК  1101101049.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
7. "Плавленый кварц - Acemap" . ddescholar.acemap.info . Проверено 4 июля 2023 г.
8. Салем, Джонатан (2012). «Прозрачная бронекерамика как окна космического корабля». Журнал Американского керамического общества .
9. Оценка кремниевой порошковой брони для танка XM60. Архивировано 5 июня 2011 г., в Wayback Machine.
10. «Intel 1702A 2K (256 x 8) УФ-стираемый ПРОМ» (PDF) .
11. «История ЦП — СППЗУ» . www.cpushack.com . Проверено 12 мая 2021 г.
12. Казанский, П.; и другие. (11 марта 2016 г.). «Вечное хранение 5D-данных с помощью сверхбыстрой лазерной записи на стекле». Отдел новостей SPIE.
13. «Пластины плавленого кварца и кремнезема для полупроводниковых применений». Хереус Холдинг ГмбХ . Проверено 7 августа 2022 г.
14. «Свойства кварца». finkenbeiner.com . Проверено 7 августа 2022 г.
15. Обзор технологии инерциального зондирования MEMS, 1 февраля 2003 г.
16. Пенн, Стивен Д.; Гарри, Грегори М.; Гретарссон, Андри М.; Киттельбергер, Скотт Э.; Солсон, Питер Р .; Шиллер, Джон Дж.; Смит, Джошуа Р.; Мечи, Сол О. (2001). «Высокая добротность, измеренная в плавленом кварце». Обзор научных инструментов . 72 (9): 3670–3673. arXiv : gr-qc/0009035 . Бибкод : 2001RScI...72.3670P. дои : 10.1063/1.1394183. S2CID  11630697.
17. Malitson, IH (октябрь 1965 г.). «Межобразцовое сравнение показателя преломления плавленого кремнезема» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки . 55 (10): 1205–1209. Бибкод : 1965JOSA...55.1205M. дои : 10.1364/JOSA.55.001205 . Проверено 12 июля 2014 г.
18. «Концепции Keysight Technologies GENESYS» (PDF) . Кейсайт Технологии .
19. «Плавленый кремнезем». ОптикаЛэнд . Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г. Проверено 27 февраля 2016 г.
20. Ваплер, MC; Люпольд, Дж.; Драгону, И.; фон Эльверфельдт, Д.; Зайцев М.; Вальрабе, У. (2014). «Магнитные свойства материалов для МР-техники, микро-МР и не только». ДжМР . 242 : 233–242. arXiv : 1403.4760 . Бибкод : 2014JMagR.242..233W. дои : 10.1016/j.jmr.2014.02.005. PMID  24705364. S2CID  11545416.
21. Измерение поверхностного натяжения и вязкости оптических стекол с помощью сканирующего CO2-лазера.
22. «Показатель преломления плавленого кварца (плавленого кварца)» . Показатель преломления . Проверено 18 августа 2017 г.

Внешние ссылки

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