Плавленый кварц - Fused quartz

Эта сфера из плавленого кварца была изготовлена ​​для использования в гироскопе в Гравитационный зонд B эксперимент. Это одна из самых точных сфер, когда-либо изготовленных, ее толщина отклоняется от идеальной сферы не более чем на 40 атомов. Только нейтронные звезды и монокристаллические кремниевые сферы, используемые в Авогадро Проект считаются более плавными.

Плавленый кварц или же плавленый кварц является стекло состоящий из кремнезем в аморфный (некристаллический ) форма. Он отличается от традиционного очки в том, что не содержит других ингредиентов, которые обычно добавляют в стекло для понижения температуры плавления. Таким образом, плавленый кремнезем имеет высокие рабочие температуры и температуры плавления. Хотя термины плавленый кварц и плавленый кварц используются как синонимы, оптические и термические свойства плавленого кварца превосходят свойства плавленого кварца и других типов стекла из-за его чистоты.^[1] По этим причинам он находит применение в таких ситуациях, как полупроводник производственное и лабораторное оборудование. Он передает ультрафиолетовый лучше, чем другие очки, поэтому используется для изготовления линзы и оптика для ультрафиолетового спектра. Низкий коэффициент температурного расширения плавленого кварца делает его полезным материалом для подложек прецизионных зеркал.^[2]

Производство

Плавленый кварц производит сплавление (плавка) кварцевый песок высокой чистоты, состоящий из кварц кристаллы. Существует четыре основных типа коммерческого кварцевого стекла:

• Тип I получают индукционной плавкой природного кварца в вакууме или инертной атмосфере.
• Тип II получают путем плавления порошка кристаллов кварца в высокотемпературном пламени.
• Тип III получают путем сжигания SiCl.₄ в водород -кислород пламя.
• Тип IV получают путем сжигания SiCl.₄ в плазменном пламени без водяного пара.^[3]

Кварц содержит только кремний и кислород, хотя коммерческое кварцевое стекло часто содержит примеси. Наиболее распространенные примеси: алюминий и титан.^[4]

Слияние

Плавление осуществляется при температуре примерно 1650 ° C (3000 ° F) с использованием печи с электрическим нагревом (с электрическим плавлением) или с использованием печи, работающей на газе / кислороде (с пламенным плавлением). Плавленый кремнезем можно сделать практически из любого кремний -богатый химический прекурсор, обычно с использованием непрерывного процесса, включающего пламя окисление летучих соединений кремния до диоксида кремния и термического плавления образующейся пыли (хотя используются альтернативные способы). В результате получается прозрачное стекло сверхвысокой чистоты и улучшенное оптическое пропускание в глубоком ультрафиолете. Один из распространенных методов включает добавление тетрахлорид кремния к водородно-кислородному пламени.

Качество продукции

Плавленый кварц обычно прозрачен. Однако материал может стать полупрозрачным, если внутри него будут задерживаться небольшие пузырьки воздуха. Содержание воды (и, следовательно, пропускание инфракрасного излучения плавленого кварца и плавленого кварца) определяется производственным процессом. Горючий материал всегда имеет более высокое содержание воды из-за комбинации углеводородов и кислорода, питающих печь, образуя гидроксил [OH] группы в материале. Материал ИК-класса обычно имеет содержание [ОН] ниже 10 частей на миллион.

Приложения

В большинстве случаев применения плавленого кварца используется его широкий диапазон прозрачности, который простирается от УФ до ближнего ИК. Плавленый кремнезем является основным исходным материалом для оптоволокно, используется для телекоммуникаций.

Из-за своей прочности и высокой температуры плавления (по сравнению с обычным стекло ) плавленый кварц используется как оболочка для галогенные лампы и газоразрядные лампы высокой интенсивности, которые должны работать при высокой температуре оболочки для достижения сочетания высокой яркости и длительного срока службы. Вакуумные трубки с кварцевыми оболочками разрешены для радиационное охлаждение раскаленными анодами.

Из-за своей прочности плавленый кварц использовался в глубоководных судах, таких как батисфера и бентоскоп. Плавленый кварц также используется для формирования иллюминаторов пилотируемых космических кораблей, в том числе Космический шатл и Международная космическая станция.^[5]

Сочетание прочности, термостойкости и прозрачности для УФ-излучения делает его отличным субстратом для проекционных масок для фотолитография.

An EPROM с окошком из плавленого кварца в верхней части упаковки

Его УФ-прозрачность также находит применение в полупроводниковой промышленности; ан EPROM, или стираемый, программируемый только для чтения памяти, это тип памяти чип который сохраняет свои данные при отключении питания, но которые могут быть удалены под воздействием сильного ультрафиолетового света. EPROM можно узнать по прозрачному окну из плавленого кварца, которое находится наверху корпуса, через которое кремний чип виден и позволяет подвергать УФ-излучение во время стирания.^{[нужна цитата ]}

Благодаря термической стабильности и составу используется в 5D оптическое хранилище данных^[6] и в печах для производства полупроводников.^{[нужна цитата ]}

Плавленый кварц имеет почти идеальные свойства для изготовления зеркала заднего вида такие как те, которые используются в телескопы. Материал ведет себя предсказуемо и позволяет изготовителю оптики нанести очень гладкую полировку на поверхность и получить желаемую фигуру с меньшим количеством итераций тестирования. В некоторых случаях плавленый кварц высокой чистоты для ультрафиолетового излучения использовался для изготовления нескольких отдельных непокрытых элементов линз специальных объективов, включая Zeiss 105 mm f / 4.3 UV Sonnar, объектив, который ранее производился для камеры Hasselblad, и Nikon UV-Nikkor 105 mm f / 4.5 (в настоящее время продается^{[требуется разъяснение ]} как объектив Nikon PF10545MF-UV). Эти линзы используются для УФ-фотографии, поскольку кварцевое стекло имеет более низкий коэффициент экстинкции, чем линзы, изготовленные из более распространенных материалов. кремень или же Корона формулы стекла.

Плавленый кварц можно металлизировать и травить для использования в качестве подложки для высокоточных микроволновых схем, а термостойкость делает его хорошим выбором для узкополосных фильтров и аналогичных требовательных приложений. Нижний диэлектрическая постоянная чем оксид алюминия позволяет использовать дорожки с более высоким импедансом или более тонкие подложки.

Плавленый кварц также используется для изготовления современных стеклянных инструментов, таких как стеклянная арфа и веррофон, а также используется для новых построек исторического стеклянная гармошка. Здесь превосходная прочность и структура плавленого кварца придают ему больший динамический диапазон и более чистый звук, чем исторически использовавшиеся. свинцовый кристалл.

Применение огнеупорных материалов

Плавленый кремнезем в качестве промышленного сырья используется для изготовления огнеупоров различных форм, таких как тигли, поддоны, кожухи и ролики, для многих высокотемпературных термических процессов, включая сталеплавильное производство, литье по выплавляемым моделям, и производство стекла. Огнеупорные профили 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 плавиковая кислота, который очень реактивен даже при довольно низких концентрациях. Полупрозрачные трубки из плавленого кварца обычно используются для обшить электрические элементы в обогревателях, промышленные печи и другие подобные приложения.

Благодаря низкому механическому демпфированию при обычных температурах он используется для высокий Q резонаторов, в частности, для стеклянный резонатор полусферического резонаторного гироскопа.^[7][8]

Посуда из кварцевого стекла иногда используется в химических лабораториях, если стандартная боросиликатное стекло не выдерживает высоких температур или когда требуется высокое пропускание УФ-излучения. Стоимость продукции значительно выше, что ограничивает ее использование; его обычно находят в виде отдельного основного элемента, такого как труба в печи, или в виде колбы, элементов, находящихся под прямым воздействием тепла.

Физические свойства

Чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения, около 5,5 Â 10⁻⁷/ K (20 ... 320 ° C), 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 лампе-вспышке с центром на 170 нм

Плавленый кварц склонен к фосфоресценция и "соляризация "(пурпурное изменение цвета) при интенсивном УФ-освещении, как это часто бывает вспышки. Синтетический плавленый кварц «УФ-класса» (продается 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% при длина волны 170 нм, которая снижается до нескольких процентов при 160 нм. Однако его инфракрасная передача ограничена сильным водопоглощение при 2,2 мкм и 2,7 мкм.

Плавленый кварц "инфракрасного качества" (торговые марки "Infrasil", "Vitreosil IR" и другие), который электрически сплавлен, имеет большее присутствие металлических примесей, что ограничивает длину волны пропускания УФ-излучения примерно до 250 нм, но гораздо более низкое содержание воды , что обеспечивает отличную передачу инфракрасного излучения на длине волны до 3,6 мкм. Все марки прозрачного плавленого кварца / плавленого кварца имеют почти одинаковые механические свойства.

Фосфоресценция кварцевой запальной трубки воздушный зазор

Оптические свойства

В оптическая дисперсия плавленого кварца можно аппроксимировать следующим Уравнение Селлмейера:^[9]

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

где длина волны ${ displaystyle lambda}$ измеряется в микрометрах. Это уравнение действительно в диапазоне от 0,21 до 3,71 мкм и при 20 ° C.^[9] Его пригодность подтверждена для длин волн до 6,7 мкм.^[3] Китамура рассмотрел экспериментальные данные для реальной (показатель преломления) и мнимой (показатель поглощения) частей комплексного показателя преломления плавленого кварца, представленные в литературе в спектральном диапазоне от 30 нм до 1000 мкм. и другие.^[3] и есть доступно онлайн.

Типичные свойства прозрачного плавленого кварца

• Плотность: 2,203 г / см³
• Твердость: 5,3 ... 6,5 (шкала Мооса), 8,8 ГПа
• Предел прочности: 48.3 МПа
• Прочность на сжатие:> 1,1 ГПа
• Объемный модуль: ~ 37 ГПа
• Модуль жесткости: 31 ГПа
• Модуль для младших: 71,7 ГПа
• Коэффициент Пуассона: 0.17
• Константы упругости Ламе: λ = 15,87 ГПа, μ = 31,26 ГПа
• Коэффициент температурного расширения: 5.5 ⋅ 10⁻⁷/ К (в среднем от 20 ... 320 ° C)
• Теплопроводность: 1,3 Вт / (м · К)
• Удельная теплоемкость: 45,3 Дж / (моль · K)
• Точка размягчения: ≈1665 ° С
• Точка отжига: ≈1140 ° С
• Точка деформации: 1070 ° С
• Удельное электрическое сопротивление: >10¹⁸ Ом · м
• Диэлектрическая постоянная: 3,75 при 20 ° C 1 МГц
• Магнитная восприимчивость: −11.28 ⋅ 10⁻⁶ (SI, 22 ° C)^[10]
• Коэффициент диэлектрических потерь: менее 0,0004 при 20 ° C 1 МГц обычно 6 ⋅ 10⁻⁵ на 10 ГГц^[11]
• Показатель преломления: п_d = 1,4585 (при 587,6 нм)
• Изменение показателя преломления с температурой (0 ... 700 ° С)^{[уточнить ]}: 1.28 ⋅ 10⁻⁵/ K (от 20 до 30 ° C)^[9]
• Напряженно-оптические коэффициенты: п₁₁ = 0,113, p₁₂ = 0.252.
• Постоянная Гамакера: А = 6,5 ⋅ 10⁻²⁰ Дж.
• Диэлектрическая прочность: 250 ... 400 кВ / см в 20 ° C^[12]
• Поверхностное натяжение: 0,300 Н / м в 1800 ... 2400 ° C^[13]
• Число Аббе: Vd = 67,82^[14]

Смотрите также

• Викор
• Состав жидкостей и стекол
• Кварцевое волокно

Рекомендации

внешняя ссылка

• Вафли из плавленого кремнезема для исследований и разработок
• "Frozen Eye, чтобы открыть новые миры" Популярная механика, Июнь 1931 г. General Electrics, West Lynn Massachusetts Labs работают над большими блоками плавленого кварца