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]
Плавленый кварц получают путем плавления (плавления) кварцевого песка высокой чистоты, состоящего из кристаллов кварца . Существует четыре основных типа коммерческого кварцевого стекла:
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.
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 ]
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]
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 .
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.
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.
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 ).
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.
Оптическая дисперсия плавленого кварца может быть аппроксимирована следующим уравнением Селлмейера : [17]
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.
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.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )