Плавленый кварц

Стекло, состоящее из чистого кремния

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

Плавленый кварц , плавленый кварц или кварцевое стекло — это стекло , состоящее из почти чистого кремнезема (диоксида кремния, SiO2 ₎ в аморфной ( некристаллической ) форме. Это отличается от всех других коммерческих стекол, таких как натриево-кальциевое стекло , свинцовое стекло или боросиликатное стекло , в которые добавляются другие ингредиенты, которые изменяют оптические и физические свойства стекол, такие как снижение температуры плавления, спектрального диапазона пропускания или механической прочности. Таким образом, плавленый кварц имеет высокие рабочие и плавильные температуры, что затрудняет его формование и делает менее желательным для большинства обычных применений, но он намного прочнее, более химически устойчив и демонстрирует меньшее тепловое расширение , что делает его более подходящим для многих специализированных применений, таких как освещение и научные приложения.

Термины плавленый кварц и плавленый кварц используются взаимозаменяемо, но могут относиться к разным технологиям производства, что приводит к разным следовым примесям. Однако плавленый кварц, находясь в стеклообразном состоянии , имеет совершенно иные физические свойства по сравнению с кристаллическим кварцем , несмотря на то, что он изготовлен из того же вещества. ^[2] Благодаря своим физическим свойствам он находит особое применение, например, в производстве полупроводников и лабораторного оборудования.

По сравнению с другими распространенными стеклами оптическая передача чистого кремния распространяется далеко в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах длин волн, поэтому он используется для изготовления линз и другой оптики для этих длин волн. В зависимости от производственных процессов примеси будут ограничивать оптическую передачу, в результате чего коммерческие сорта плавленого кварца будут оптимизированы для использования в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Низкий коэффициент теплового расширения плавленого кварца делает его полезным материалом для прецизионных зеркальных подложек или оптических плоских поверхностей . ^[3]

Производство

Плавленый кварц производится путем плавления (сплавления) высокочистого кварцевого песка, состоящего из кристаллов кварца . Существует четыре основных типа коммерческого кварцевого стекла:

• Тип I производится методом индукционной плавки природного кварца в вакууме или инертной атмосфере.
• Тип II производится путем сплавления порошка кристаллов кварца в высокотемпературном пламени.
• Тип III получают путем сжигания _SiCl4 в пламени смеси водорода и кислорода .
• Тип IV получают путем сжигания SiCl4 _в плазменном пламени, не содержащем водяного пара. ^[4]

Кварц содержит только кремний и кислород, хотя коммерческое кварцевое стекло часто содержит примеси. Две доминирующие примеси — это алюминий и титан ^[5] , которые влияют на оптическую передачу в ультрафиолетовом диапазоне. Если в процессе производства присутствует вода, гидроксильные группы (ОН) могут быть внедрены, что снижает передачу в инфракрасном диапазоне.

Слияние

Плавка осуществляется при температуре около 2200 °C (4000 °F) с использованием либо электрической печи (электрическая плавка), либо печи, работающей на газе/кислороде (пламенная плавка). ^[6] Плавленый кварц может быть изготовлен практически из любого богатого кремнием химического прекурсора, обычно с использованием непрерывного процесса, который включает окисление летучих соединений кремния в пламени до диоксида кремния и термическое плавление полученной пыли (хотя используются и альтернативные процессы). Это приводит к прозрачному стеклу со сверхвысокой чистотой и улучшенной оптической передачей в глубоком ультрафиолете. Один из распространенных методов заключается в добавлении тетрахлорида кремния в водородно-кислородное пламя. ^{[ требуется ссылка ]}

Качество продукции

Плавленый кварц обычно прозрачен. Однако материал может стать полупрозрачным, если в нем попадут небольшие пузырьки воздуха. Содержание воды (и, следовательно, инфракрасное пропускание) плавленого кварца определяется производственным процессом. Пламенноплавленый материал всегда имеет более высокое содержание воды из-за комбинации углеводородов и кислорода, питающих печь, образуя гидроксильные группы [OH] внутри материала. Материал ИК-класса обычно имеет содержание [OH] ниже 10 ppm. ^[7]

Приложения

Многие оптические применения плавленого кварца используют его широкий диапазон прозрачности, который может простираться далеко в ультрафиолет и в ближний средний инфракрасный диапазон. Плавленый кварц является ключевым 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 колбы для галогенных ламп и высокоинтенсивных разрядных ламп , которые должны работать при высокой температуре оболочки, чтобы достичь сочетания высокой яркости и длительного срока службы. Некоторые высокомощные вакуумные трубки использовали кварцевые колбы, чья хорошая передача в инфракрасном диапазоне волн способствовала радиационному охлаждению их раскаленных анодов .

Благодаря своей физической прочности плавленый кварц использовался в глубоководных судах, таких как батисферы и бентоскопы , а также в иллюминаторах пилотируемых космических кораблей, включая космические челноки и Международную космическую станцию . ^[8] Плавленый кварц также использовался при разработке композитной брони . ^[9]

В полупроводниковой промышленности сочетание прочности, термостойкости 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 (стираемая программируемая постоянная память ), типе энергонезависимой микросхемы памяти , которая стирается под воздействием сильного ультрафиолетового света. EPROM можно узнать по прозрачному окну из плавленого кварца (хотя некоторые более поздние модели используют УФ-прозрачную смолу), которое находится сверху корпуса, через которое виден кремниевый чип, и которое пропускает УФ-свет для стирания. ^{[10] [11]}

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

Плавленый кварц имеет почти идеальные свойства для изготовления зеркал первой поверхности, таких как те, которые используются в телескопах . Материал ведет себя предсказуемым образом и позволяет оптическому производителю наносить очень гладкую полировку на поверхность и производить желаемую фигуру с меньшим количеством итераций тестирования. В некоторых случаях плавленый кварц высокой чистоты УФ-класса использовался для изготовления нескольких отдельных непокрытых линзовых элементов специальных объективов, включая Zeiss 105 mm f/4.3 UV Sonnar, объектив, ранее изготовленный для камеры Hasselblad, и объектив Nikon UV-Nikkor 105 mm f/4.5 (в настоящее время продается как Nikon PF10545MF-UV). Эти объективы используются для УФ-фотографии, поскольку кварцевое стекло может быть прозрачным на гораздо более коротких длинах волн, чем линзы, изготовленные с использованием более распространенных формул флинт или крон- стекла.

Плавленый кварц можно металлизировать и протравить для использования в качестве подложки для высокоточных микроволновых схем, а его термическая стабильность делает его хорошим выбором для узкополосных фильтров и подобных 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 как промышленное сырье используется для изготовления различных огнеупорных форм, таких как тигли, поддоны, кожухи и ролики для многих высокотемпературных термических процессов, включая сталеплавильное производство , литье по выплавляемым моделям и производство стекла. Огнеупорные формы, изготовленные из плавленого кварца, обладают превосходной стойкостью к тепловому удару и химически инертны к большинству элементов и соединений, включая практически все кислоты, независимо от концентрации, за исключением плавиковой кислоты , которая очень реактивна даже в довольно низких концентрациях. Прозрачные трубки из плавленого кварца обычно используются для оболочки электрических элементов в комнатных обогревателях , промышленных печах и других подобных приложениях.

Благодаря низкому механическому затуханию при обычных температурах он используется для высокодобротных резонаторов, в частности, для винного резонатора полусферического резонаторного 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 конструкций исторической стеклянной губной гармошки , обеспечивая этим инструментам больший динамический диапазон и более чистый звук, чем исторически используемый свинцовый хрусталь .

Кварцевое стекло иногда используется в химических лабораториях, когда стандартное боросиликатное стекло не выдерживает высоких температур или когда требуется высокая пропускаемость УФ-излучения. Стоимость производства значительно выше, что ограничивает его применение; обычно оно встречается как один базовый элемент, например, трубка в печи или как колба, элементы подвергаются прямому воздействию тепла.

Свойства плавленого кварца

Крайне 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. ^{тепловой} удар ).

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

Плавленый кварц склонен к фосфоресценции и « соляризации » (появлению пурпурного цвета) под интенсивным УФ-освещением, что часто наблюдается в импульсных лампах . Синтетический плавленый кварц «УФ-класса» (продается под различными торговыми наименованиями, включая «HPFS», «Spectrosil» и «Suprasil») имеет очень низкое содержание металлических примесей, что делает его прозрачным в более глубоких ультрафиолетовых лучах. Оптика толщиной 1 см имеет пропускание около 50% на длине волны 170 нм, которое падает до нескольких процентов на 160 нм. Однако его инфракрасное пропускание ограничено сильным поглощением воды на 2,2 мкм и 2,7 мкм.

Плавленый кварц "инфракрасного класса" (торговые марки "Infrasil", "Vitreosil IR" и другие), который электрически сплавлен, имеет большее присутствие металлических примесей, что ограничивает длину волны пропускания УФ-излучения до примерно 250 нм, но гораздо меньшее содержание воды, что приводит к отличному пропусканию инфракрасного излучения до длины волны 3,6 мкм. Все сорта прозрачного плавленого кварца/плавленого кремнезема имеют почти идентичные механические свойства.

Показатель преломления

Оптическую дисперсию плавленого кварца можно аппроксимировать 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 при 20 °C. ^[17] Его справедливость была подтверждена для длин волн до 6,7 мкм. ^[4] Экспериментальные данные для действительной (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. ^[4] и доступны в Интернете. ${\displaystyle \lambda }$

Его довольно высокое число Аббе 67,8 делает его одним из самых низкодисперсных стекол на видимых длинах 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 является двулучепреломляющим 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 различные структуры приводят к различным оптическим и другим физическим свойствам.

Список физических свойств

• Плотность : 2,203 г/ ^см3
• Твёрдость : 5,3–6,5 (шкала Мооса), 8,8  ГПа
• Прочность на растяжение : 48,3 МПа
• Прочность на сжатие : > 1,1 ГПа
• Модуль упругости : ~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
• Температура отжига : ≈ 1140 °C
• Температура деформации : 1070 °C
• Удельное 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 (СИ, 22 °C) ^[20]
• Постоянная Гамакера : A = 6,5 × 10−20 ^Дж .
• Поверхностное натяжение : 0,300 Н/м при 1800–2400 °C ^[21]
• Показатель преломления : n _d = 1,4585 (при 587,6 нм)
• Изменение показателя преломления с температурой: 1,28 × 10−5 ^/ К (20–30 °C) ^[17]
• Диапазон пропускания : Отсечка – от 160 до 5000 нм, с глубокой полосой поглощения при 2730 нм. Лучшая пропускаемость – от 180 до 2700 нм. ^[22]
• Стресс-оптические коэффициенты : p ₁₁ = 0,113, p ₁₂ = 0,252.
• Число Аббе : Vd = 67,82 ^[23]

Смотрите также

• Кварцевое волокно
• Структура жидкостей и стекол
• Викор

Ссылки

1. Хардвуд, У. (20 апреля 2004 г.). «Космический корабль запущен для проверки теорий Альберта Эйнштейна». Spaceflight Now . Получено 14 мая 2009 г.
2. «Кварц против плавленого кварца: в чем разница?». Swift Glass . 2015-09-08 . Получено 2017-08-18 .
3. Де Йонг, Бернард Х. В. С.; Биркенс, Рууд Г. К.; Ван Нийнаттен, Питер А. (2000). "Стекло". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . doi :10.1002/14356007.a12_365. ISBN 3-527-30673-0.
4. Kitamura, Rei; Pilon, Laurent; Jonasz, Miroslaw (2007-11-19). "Оптические константы кварцевого стекла от экстремального ультрафиолетового до дальнего инфракрасного при температурах, близких к комнатной" (PDF) . Applied Optics . 46 (33): 8118–8133. Bibcode :2007ApOpt..46.8118K. doi :10.1364/AO.46.008118. PMID  18026551. S2CID  17169097 . Получено 2014-07-12 .
5. Химическая чистота плавленого кварца/кремнезема, www.heraeus-quarzglas.com
6. Варшнейя, Арун К. (2019). Основы неорганических стекол. Джон К. Мауро. Амстердам. ISBN 978-0-12-816226-2. OCLC  1101101049.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
7. "Плавленый кварц - Acemap". ddescholar.acemap.info . Получено 2023-07-04 .
8. Сейлем, Джонатан (2012). «Прозрачная бронекерамика как окна космических кораблей». Журнал Американского керамического общества .
9. Оценка брони с кремниевым сердечником для танка XM60. Архивировано 5 июня 2011 г. на Wayback Machine .
10. "Intel 1702A 2K (256 x 8) УФ-стираемая PROM" (PDF) .
11. "История ЦП - EPROM". www.cpushack.com . Получено 12.05.2021 .
12. Казанский, П. и др. (11 марта 2016 г.). «Вечное хранение 5D-данных с помощью сверхбыстрой лазерной записи в стекле». SPIE Newsroom.
13. "Плавленые кварцевые и кремниевые пластины для полупроводниковых приложений". Heraeus Holding GmbH . Получено 2022-08-07 .
14. "Свойства кварца". finkenbeiner.com . Получено 2022-08-07 .
15. Обзор технологии инерциального зондирования MEMS, 1 февраля 2003 г.
16. Пенн, Стивен Д.; Гарри, Грегори М.; Гретарссон, Андри М.; Киттельбергер, Скотт Э.; Саулсон, Питер Р .; Шиллер, Джон Дж.; Смит, Джошуа Р.; Свордс, Сол О. (2001). «Высокий коэффициент качества, измеренный 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.
17. Malitson, IH (октябрь 1965 г.). "Межвидовое сравнение показателя преломления плавленого кварца" (PDF) . Журнал оптического общества Америки . 55 (10): 1205–1209. Bibcode :1965JOSA...55.1205M. doi :10.1364/JOSA.55.001205 . Получено 12 июля 2014 г. .
18. "Концепции GENESYS от Keysight Technologies" (PDF) . Keysight Technologies .
19. "Fused Silica". OpticsLand . Архивировано из оригинала 2013-06-02 . Получено 2016-02-27 .
20. Wapler, MC; Leupold, J.; Dragonu, I.; von Elverfeldt, D.; Zaitsev, M.; Wallrabe, U. (2014). «Магнитные свойства материалов для МР-техники, микро-МР 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.
21. Измерение поверхностного натяжения и вязкости оптических стекол с использованием сканирующего CO2-лазера
22. Оптическая инженерная наука Стивена Ролта - Wiley Publishing 2020 стр. 211-213
23. "Показатель преломления плавленого кварца (плавленого кварца)". Показатель преломления . Получено 2017-08-18 .

Внешние ссылки

• «Замороженный глаз откроет новые миры» Popular Mechanics, июнь 1931 г. General Electrics, West Lynn Massachusetts Labs работают над большими блоками плавленого кварца