Đĩa thạch anh nóng chảy trong suốt tròn truyền tia UV cao

Vật liệu chính của đĩa thạch anh nóng chảy là silica vô định hình, không có hiệu ứng áp điện. Tuy nhiên, các tính chất quang học vượt trội của nó (độ truyền sáng cao, dải truyền ánh sáng rộng), hệ số giãn nở nhiệt cực thấp, độ ổn định hóa học cao và khả năng chịu nhiệt tốt khiến nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quang học, bán dẫn, viễn thông quang và các lĩnh vực khác.

 Cốt lõi của quá trình sản xuất đĩa thạch anh nóng chảy trong suốt là nấu chảy nguyên liệu cát thạch anh ở nhiệt độ cao để tạo thành khối thủy tinh đồng nhất, sau đó tiến hành gia công nóng và gia công nguội.

Giai đoạn Một: Chuẩn bị và nấu chảy nguyên liệu

Đây là nền tảng của toàn bộ quá trình, quyết định độ tinh khiết và các tính chất cơ bản của vật liệu.

1. Chọn và xử lý nguyên liệu cho tấm thủy tinh thạch anh

• Nguyên liệu: Sử dụng cát thạch anh tự nhiên độ tinh khiết cao hoặc bột silicon tổng hợp. Đối với các ứng dụng cấp quang học, yêu cầu độ tinh khiết cực kỳ cao, hàm lượng tạp chất kim loại tổng cộng thường phải thấp hơn vài phần triệu (ppm).
• Xử lý: Nguyên liệu cần được tinh chế thông qua các phương pháp vật lý và hóa học như nổi, tách từ và rửa axit để loại bỏ các tạp chất như ion kim loại và bụi.

2. Nấu chảy

• Mục tiêu: Chuyển đổi cát thạch anh tinh thể (SiO 2 ) thành thủy tinh thạch anh nóng chảy vô định hình.
• Phương pháp: Chủ yếu có hai loại
• Phương pháp nấu chảy bằng điện :

Trong lò điện được bảo vệ bởi chân không hoặc khí trơ (như argon), nhiệt độ vượt quá 2000 °C được cung cấp bởi hồ quang do điện cực tạo ra hoặc bộ gia nhiệt bằng graphite.

Phương pháp này có thể sản xuất thạch anh nóng chảy với hàm lượng hydroxyl (OH ⁻) cực thấp, phù hợp cho các ứng dụng trong dải tử ngoại

• Phương pháp hợp nhất bằng ngọn lửa:

Bột cát thạch anh được phun lên mục tiêu thông qua ngọn lửa hydro-oxy hoặc ngọn lửa oxy-hydro, sau đó được lắng đọng từng lớp bằng phương pháp bọc lớp.

Thạch anh nóng chảy sản xuất bằng phương pháp này thường chứa hàm lượng OH tương đối cao, phù hợp cho dải hồng ngoại và có thể được dùng để chế tạo phôi cỡ lớn.

3. Tạo hình và ủ nhiệt

• Mục đích: Định hình thủy tinh thạch anh nóng chảy thành dạng ban đầu yêu cầu (ví dụ như khối, thanh, tấm) và loại bỏ ứng suất bên trong.
• Quy trình: Chất lỏng thủy tinh thạch anh nóng chảy được đổ vào khuôn hoặc tạo thành một "phôi" có hình dạng cụ thể bằng cách kiểm soát quá trình làm nguội. Sau đó, phôi được đưa vào lò ủ và từ từ đi qua một dải nhiệt độ được kiểm soát chính xác (ví dụ: từ trên 1100 °C xuống dưới 800 °C). Quá trình này có thể giảm thiểu và đồng nhất ứng suất nhiệt nội bộ ở mức cao nhất, ngăn ngừa nứt vỡ hoặc biến dạng trong quá trình gia công hoặc sử dụng sau đó.

Ưu điểm của đĩa thạch anh:

• Tính chất quang học vượt trội:

• Độ truyền quang cao: Đĩa thạch anh cung cấp khả năng truyền quang rất tốt trong dải phổ rộng, từ tia cực tím sâu (UV) đến cận hồng ngoại (NIR).
• Phát quang nền thấp: Đĩa thạch anh có bản chất phát quang nền thấp, điều này rất quan trọng đối với các phép đo quang học nhạy cảm.

• Ổn định nhiệt tuyệt vời:

• Hệ số giãn nở nhiệt cực thấp: Chịu được sốc nhiệt và biến dạng rất tốt khi nhiệt độ thay đổi nhanh.
• Điểm hóa mềm cao: Đĩa thạch anh có thể chịu được nhiệt độ hoạt động rất cao. Tấm thạch anh có thể chịu được 1100 độ trong thời gian dài và nhiệt độ làm việc ngắn hạn là 1200 độ.

• Độ tinh khiết hóa học và khả năng chịu hóa chất tuyệt vời:

• Tính trơ: Chịu ăn mòn rất tốt bởi hầu hết các axit, muối và kim loại. Ngoài axit hydrofluoric, thủy tinh thạch anh hầu như không phản ứng với các axit khác trong xử lý hóa chất, và khả năng chịu axit của nó cao gấp 30 lần so với gốm chịu axit và gấp 150 lần so với thép không gỉ.

• Hiệu suất cách điện tuyệt vời :

Giá trị điện trở của đĩa thạch anh tương đương gấp 10.000 lần so với kính thông thường. Đây là vật liệu cách điện xuất sắc và duy trì tính chất điện tốt ngay cả ở nhiệt độ cao. ‌

• Độ tinh khiết cao: Đĩa thạch anh có thể được sản xuất với mức độ tạp chất cực thấp, ngăn ngừa nhiễm bẩn trong các quá trình nhạy cảm.
• Cách điện vượt trội: Đĩa thạch anh sở hữu độ bền điện môi cao và tổn thất điện môi thấp.
• Ngưỡng chịu hư hại do laser cao: Đĩa thạch anh có thể chịu được chùm tia laser công suất cao mà không bị hư hại, làm cho nó lý tưởng trong các ứng dụng laser.

Các lĩnh vực ứng dụng chính:

• Quang học và Photonics:

• Thấu kính, Cửa sổ và Lăng kính: Được sử dụng trong thiết bị quang khắc UV, hệ thống laser công suất cao, kính thiên văn và các thiết bị quang phổ.
• Sợi quang: Vật liệu lõi cho sợi quang độ tinh khiết cao được dùng trong viễn thông và truyền dẫn dữ liệu.

• Sản xuất chất bán dẫn:

• Giá đỡ oán và Ống quy trình: Được sử dụng làm chén nung, ống khuếch tán và giá chuyển oán trong các quá trình nhiệt độ cao để nuôi tinh thể silicon và chế tạo chip nhờ độ tinh khiết và ổn định nhiệt cao.

• Chiếu sáng:

• Đèn phóng điện cường độ cao (HID): Được dùng làm vật liệu vỏ bọc cho đèn thủy ngân, đèn halide kim loại và đèn hồ quang xenon vì có khả năng chịu được nhiệt độ cao và bức xạ UV.

• Thiết bị phòng thí nghiệm:

• Cuvette & Dụng cụ thí nghiệm: Được sử dụng trong quang phổ UV-Vis và các ứng dụng yêu cầu tính trơ hóa học và khả năng chịu sốc nhiệt.

Dữ liệu kỹ thuật của đĩa thạch anh trong suốt