Okragły przezroczysty dysk z stopionego kwarcu o wysokiej przepuszczalności UV

Głównym materiałem dysku z kwarcu stopionego jest amorficzny dwutlenek krzemu, który nie wykazuje efektu piezoelektrycznego. Jego doskonałe właściwości optyczne (wysoka przeźroczystość, szeroki zakres przepuszczalności światła), bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoka stabilność chemiczna oraz odporność na ciepło sprawiają, że znajduje on szerokie zastosowanie w optyce, półprzewodnikach, telekomunikacji optycznej i innych dziedzinach.

 Podstawą procesu wytwarzania przezroczystego dysku z kwarcu stopionego jest stopienie surowych piasków kwarcowych w wysokiej temperaturze w celu utworzenia jednorodnego ciała szklanego, a następnie formowanie na gorąco i obróbka na zimno.

Etap pierwszy: Przygotowanie surowców i topnienie

Jest to podstawa całego procesu, która decyduje o czystości i podstawowych właściwościach materiału.

1. Płyta z szkła kwarcowego Selekcja surowców i ich przetwarzanie

• Surowce: Stosuje się wysokoczysty naturalny piasek kwarcowy lub syntetyczny proszek krzemowy. W zastosowaniach optycznych wymagana jest ekstremalnie wysoka czystość, a całkowita zawartość metali zanieczyszczających musi zwykle być niższa niż kilka części na milion (ppm).
• Przetwarzanie: Surowce należy oczyścić metodami fizycznymi i chemicznymi, takimi jak flotacja, separacja magnetyczna i płukanie kwasem, w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak jony metali i pył.

2. Topienie

• Cel: Przekształcenie krystalicznego piasku kwarcowego (SiO 2 - 2 ) w amorficzne szkło topione kwarcowe.
• Metody: Istnieją głównie dwa typy
• Metoda topienia elektrycznego :

W piecu elektrycznym chronionym przez próżnię lub gaz obojętny (np. argon), temperatura przekraczająca 2000 °°C jest uzyskiwana dzięki łukowi generowanemu przez elektrody lub grzałkę grafitową.

Ta metoda pozwala wytworzyć stopione szkło kwarcowe o ekstremalnie niskiej zawartości grup hydroksylowych (OH ⁻) zawartość, która jest odpowiednia do zastosowań w zakresie ultrafioletu

• Metoda syntezy płomieniowej:

Proszek z piasku kwarcowego jest rozpylany na tarczę przy użyciu płomienia wodorowo-tlenowego lub tlenowo-wodorowego, a następnie napylany warstwowo metodą otaczania.

Szklane kwarcowe wytwarzane tą metodą zwykle zawierają stosunkowo wysoką zawartość OH, są odpowiednie do pasma podczerwieni i mogą być używane do produkcji dużych półproduktów.

3. Formowanie i wyżarzanie

• Cel: Uformowanie stopionego szkła kwarcowego w wymaganą początkową formę (np. bryłę, pręt, płytę) oraz usunięcie naprężeń wewnętrznych.
• Proces: Ciekłe stopione szkło kwarcowe jest wlewane do formy lub kształtowane w "półprodukt" o określonym kształcie poprzez kontrolowany proces chłodzenia. Następnie półprodukt jest wprowadzany do pieca wyżarzalniczego i powoli przeprowadzany przez precyzyjnie kontrolowany zakres temperatur (na przykład od ponad 1100 °C do poniżej 800 °C). Ten proces może w największym stopniu zminimalizować i ujednolicić naprężenia termiczne wewnętrzne, zapobiegając pęknięciom lub odkształceniom podczas kolejnych etapów przetwarzania lub użytkowania.

Zalety tarczy kwarcowej:

• Wyjątkowe właściwości optyczne:

• Wysoka przezierność: Tarcza kwarcowa oferuje bardzo wysoką przezierność w szerokim zakresie widmowym, od głębokiego ultrafioletu (UV) po bliską podczerwień (NIR).
• Niska fluorescencja: Tarcza kwarcowa charakteryzuje się naturalnie niskim fluorescencyjnym tłem, co jest kluczowe dla czułych pomiarów optycznych.

• Wyróżniająca się stabilność termiczna:

• Bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej: Wysoce odporna na szok termiczny i odkształcenia przy szybkich zmianach temperatury.
• Wysoka temperatura mięknienia: Tarcza kwarcowa wytrzymuje bardzo wysokie temperatury robocze. Płyta kwarcowa może długotrwale wytrzymać temperaturę 1100 stopni, a krótkotrwała temperatura pracy wynosi 1200 stopni.

• Doskonała czystość chemiczna i odporność chemiczna:

• Obojętność chemiczna: Wysoka odporność na korozję przez większość kwasów, soli i metali. Oprócz kwasu fluorowodorowego, szkło kwarcowe niemal nie reaguje z innymi kwasami stosowanymi w procesach chemicznych, a jego odporność kwasowa jest 30 razy większa niż ceramiki kwasoodpornej i 150 razy większa niż stali nierdzewnej.

• Doskonała izolacyjność elektryczna :

Wartość oporu szklanego dysku kwarcowego jest równa 10 000-krotności szkła zwykłego. Jest doskonałym materiałem izolacyjnym elektrycznie i zachowuje dobre właściwości elektryczne nawet w wysokich temperaturach. ‌

• Wysoka czystość: Dysk kwarcowy może być produkowany z ekstremalnie niskim poziomem zanieczyszczeń, zapobiegając zanieczyszczeniu w wrażliwych procesach.
• Doskonała izolacja elektryczna: Dysk kwarcowy charakteryzuje się wysoką wytrzymałością dielektryczną i niskimi stratami dielektrycznymi.
• Wysoki próg uszkodzenia laserowego: Dysk kwarcowy wytrzymuje wiązki laserowe o dużej mocy bez uszkodzeń, co czyni go idealnym do zastosowań laserowych.

Główne dziedziny zastosowań:

• Optyka i fotonika:

• Soczewki, okna i pryzmaty: Stosowane w urządzeniach litografii UV, systemach laserowych o dużej mocy, teleskopach oraz instrumentach spektroskopowych.
• Włókna optyczne: Materiał podstawowy dla włókien optycznych o wysokiej czystości stosowanych w telekomunikacji i transmisji danych.

• Produkcja półprzewodników:

• Nośniki płytek krzemowych i rury procesowe: Stosowane jako tygiele, rury dyfuzyjne i łódki nośne płytek w procesach wysokotemperaturowych do hodowli kryształów krzemu i produkcji układów scalonych dzięki ich czystości i stabilności termicznej.

• Oświetlenie:

• Lampy wyładowcze wysokiej intensywności (HID): Stosowane jako materiał obudowy lamp rtęciowych, metalohalogenkowych i ksenonowych, ponieważ wytrzymuje wysokie temperatury oraz promieniowanie UV.

• Sprzęt laboratoryjny:

• Kuwety i naczynia laboratoryjne: Stosowane w spektroskopii UV-Vis oraz w zastosowaniach wymagających obojętności chemicznej i odporności na szok termiczny.

Dane techniczne przezroczystego dysku kwarcowego