1. Обзор кварцевого стекла
1.1 Определение и образование
Кварцевое стекло, также известное как плавленый кварц, представляет собой специальный высокочистый неорганический стеклянный материал с превосходными комплексными физическими и химическими свойствами. Оно изготавливается с использованием высокочистого кварцевого кристалла или синтетического кремнезёма в качестве исходного сырья и проходит процессы плавления при сверхвысокой температуре, осветления, формовки и точной отжиговой обработки.
В отличие от обычного стекла, для производства кварцевого стекла применяется технология плавления при сверхвысокой температуре 2000–2300 °C для полного расплавления кремнезёмного сырья и устранения внутренней кристаллической структуры, в результате чего образуется однородное аморфное стекло. После строгого охлаждения и снятия внутренних напряжений материал приобретает стабильные структурные свойства. Высококачественное кварцевое стекло — как в виде исходного сырья, так и готовых изделий — в основном производится и обрабатывается в промышленных регионах, включая Китай, США, Германию и Японию, обеспечивая высокотехнологичные промышленные и прецизионные производственные отрасли по всему миру.
1.2 Классификация и стандарты качества
Исходя из производственных процессов и типов сырья, кварцевое стекло в основном делится на две категории: натуральное плавленое кварцевое стекло и синтетическое плавленое кварцевое стекло .
Натуральное плавленое кварцевое стекло получают непосредственным плавлением высокочистого природного кварцевого песка; оно отличается стабильными эксплуатационными характеристиками и экономической выгодой для традиционных промышленных применений. Синтетическое плавленое кварцевое стекло производят путём газофазного гидролиза высокочистых кремниевых соединений; оно характеризуется сверхнизким содержанием примесей и превосходными оптическими свойствами.
Высококлассный оптический, полупроводниковый и медицинский классы кварцевое стекло проходит многоступенчатую очистку и высокоточную термообработку (отжиг), соответствующую Стандартам SEMI для полупроводниковой промышленности, требованиям FDA и промышленным нормам безопасности ЕС . Благодаря сверхвысокой чистоте, исключительной термостойкости и выдающейся оптической стабильности кварцевое стекло представляет собой незаменимый передовой материал нового поколения, область применения которого в высокотехнологичных отраслях стремительно расширяется.
2. Основные характеристики кварцевого стекла
2.1 Физико-структурные характеристики
Физическое превосходство кварцевого стекла обусловлено его однородной аморфной структурой кремнеземной сети , с чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения как его основной физической характеристикой.
Он обладает отличная структурная плотность и размерная стабильность , коэффициент теплового расширения составляет всего 5,0×10⁻⁷/°C, что в 20 раз меньше, чем у обычного боросиликатного стекла. Материал способен выдерживать резкие перепады температур без растрескивания или деформации. Он обладает высокой твёрдостью, высокой плоскостностью и превосходной светопропускной способностью , что позволяет осуществлять сверхточную обработку для удовлетворения требований к компонентам с точностью на уровне микрон и даже нанометров.
Единственными физическими ограничениями являются высокая твёрдость, затрудняющая резку и обработку, и низкая прочность на удар, которые можно эффективно устранить с помощью прецизионного шлифования и специальной закалки.
2.2 Химические свойства
Основным химическим компонентом высококачественного кварцевого стекла является аморфный SiO₂ (99,95–99,9999%) , с примесями в следовых количествах, такими как Al₂O₃, Fe₂O₃ и ионы металлов, строго контролируемыми на уровне частиц на триллион (ppb) для высококачественных марок.
Она имеет чрезвычайно высокой химической инертностью , устойчивое к коррозии практически от всех кислот, щелочей и органических растворителей при нормальных и высоких температурах; коррозию вызывают только плавиковая кислота и горячая концентрированная фосфорная кислота. В то же время кварцевое стекло является нетоксичным, безвредным и не образующим осадков , что обеспечивает безопасное и экологически чистое применение в полупроводниковой, медицинской, химической и пищевой промышленности.
2.3 Тепловые характеристики
Кварцевое стекло обладает выдающейся термостойкостью при экстремальных температурах с температурой размягчения 1730 ℃ и длительной непрерывной рабочей температурой 1200 ℃ . Оно характеризуется превосходной термостабильностью при высоких температурах и сверхнизкой теплопроводностью, сохраняя стабильные физические и оптические свойства без деформации, образования пузырей или кристаллизации в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах.
Его превосходная стойкость к термоудару делает его надёжным материал для теплоизоляции при высоких температурах, термостабилизации и защиты от ожогов широко применяется в экстремальных промышленных условиях высоких температур.
3. Преимущества кварцевого стекла
3.1 Ультраширокий спектр светопропускания
Высокая светопропускная способность по всему спектру является ключевым конкурентным преимуществом кварцевого стекла. В отличие от обычного оптического стекла оно обеспечивает стабильную высокую пропускную способность в диапазоне глубокого ультрафиолета, видимого света и среднего инфракрасного излучения .
Эффективно пропускает специальные ультрафиолетовые и инфракрасные источники света без спектральных искажений, обеспечивая высокую точность и стабильность оптических систем. Его комплексные оптические характеристики значительно превосходят характеристики обычного стекла и полимерных оптических материалов, что позволяет удовлетворять строгим требованиям прецизионной оптики и фотонно-электронной промышленности.
3.2 Ультравысокая химическая стабильность и сверхвысокая чистота
Благодаря ультравысокая химическая инертность и сверхнизкое содержание примесей кварцевое стекло не вступает в химические реакции и не выделяет ионы металлов при высоких температурах и в агрессивных средах. Оно не требует антикоррозионного покрытия или вспомогательных защитных мер и не вызывает вторичного загрязнения прецизионных приборов, химических растворов и полупроводниковых пластин, соответствует стандартам сверхвысокой чистоты для промышленного производства.
3.3 Стойкость к высоким температурам и термоударная стойкость
Особенности кварцевого стекла чрезвычайно высокая термостойкость и устойчивость к резким перепадам температур оно не деформируется и не повреждается при длительной эксплуатации при высоких температурах и мгновенных чередованиях холод-жара. Это эффективно повышает термостабильность и срок службы промышленного оборудования и оптических устройств, обеспечивая высоконадёжные эксплуатационные характеристики материала в экстремальных рабочих условиях.
3.4 Долговечность и высокая стоимость/эффективность
Как высокопроизводительный неорганический функциональный материал, кварцевое стекло обладает исключительно длительным сроком службы, отсутствием старения и деградации , при этом не требуется частая замена и техническое обслуживание. Несмотря на сложность технологического процесса, его совокупная стоимость эксплуатации в долгосрочной перспективе значительно ниже стоимости специальных сплавов и высококачественных полимерных материалов.
Он отличается экологичностью, отсутствием радиационного излучения и возможностью вторичной переработки, что полностью соответствует требованиям высокоточного промышленного производства и устойчивого зелёного развития.
4. Отраслевые применения кварцевого стекла
4.1 Полупроводниковая и оптоэлектронная промышленность
Будучи ключевым высокочистым вспомогательным материалом для полупроводниковой промышленности, кварцевое стекло широко применяется в диффузионных печах для пластин, камерах травления и оптических компонентах литографического оборудования . Его сверхвысокая чистота и стабильные оптические характеристики эффективно предотвращают загрязнение пластин и оптические отклонения, обеспечивая производство микросхем с высокой точностью.
4.2 Химическая и лабораторная промышленность
Благодаря высокой коррозионной стойкости и термостойкости из него изготавливают кварцевые тигли, реакционные сосуды, конденсационные трубки и лабораторные приборы подходят для высокотемпературных химических реакций, очистки растворов и точных лабораторных испытаний.
4.3 Оптическая и осветительная промышленность
Благодаря превосходной пропускной способности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах кварцевое стекло используется для УФ-ламповых трубок, инфракрасных нагревательных линз, прецизионных оптических линз и окон лазерных устройств . Это ключевой основной материал для медицинских дезинфицирующих ламп, промышленного нагревательного оборудования и оптических коммуникационных устройств.
4.4 Высокотемпературное промышленное производство
После обработки в кварцевые трубки, кварцевые пластины и детали сложной формы их применяют для теплоизоляции промышленных печей, окон наблюдения при высоких температурах и термостойких конструкционных компонентов. Это существенно повышает безопасность и эксплуатационную стабильность промышленных производственных линий при высоких температурах.
4.5 Медицинская и экологическая промышленность
Высокочистое кварцевое стекло медицинского класса нетоксично и стерильно, широко используется в медицинском ультрафиолетовом оборудовании для дезинфекции, биологических реакционных сосудах и устройствах для стерилизации воды . Его стабильные и безопасные эксплуатационные характеристики соответствуют строгим медицинским и экологическим санитарным стандартам.
Технические характеристики прозрачной кварцевой стеклянной трубки
| Свойства материала |
Единица |
Показатель свойств |
| Чистота SIO2 |
% |
99.95 |
| Плотность |
к г/см³ |
2.2×103 |
| Прочность |
КНН 100 |
570 |
| Предел прочности при растяжении |
Па(/ ㎡) |
4.8×107 |
| Сопротивление сжатию |
Pa |
>1.1×109 |
| Коэффициент теплового расширения |
см/см℃ |
5.5×10-7 |
| Теплопроводность |
Вт/м℃ |
1.4 |
| Удельная теплоемкость |
Дж/кг℃ |
660 |
| Точка размягчения |
℃ |
1630 |
| Постоянная максимальная рабочая температура |
℃ |
1100 |
EN
