Aké sú hlavné chemické zložky tyčí z kremenného skla?

Hlavnou chemickou zložkou tyčinky z kremenného skla je oxid kremičitý (SiO₂), ktorého čistota je zvyčajne nad 99,9 %, a kremenné sklo s vysokou čistotou môže dokonca dosiahnuť 99,9999 % (trieda 6N).

1. Molekulárna štruktúra oxidu kremičitého (SiO₂)
Základným dôvodom, prečo majú tyčinky z kremenného skla vynikajúce fyzikálne a chemické vlastnosti, je špeciálna molekulárna štruktúra oxidu kremičitého. Na rozdiel od obyčajného skla predstavuje mikroštruktúra kremenného skla vysoko stabilnú sieťovitú vlastnosť, ktorá priamo určuje tepelné, optické a mechanické vlastnosti materiálu.

Na atómovej úrovni je základnou štruktúrnou jednotkou oxidu kremičitého kremík-kyslíkový štvorsten. V tejto štruktúre je atóm kremíka umiestnený v strede a štyri atómy kyslíka sú rovnomerne rozložené vo vrcholoch štvorstenu. Každý atóm kyslíka tvorí silnú kovalentnú väzbu s centrálnym atómom kremíka. Táto metóda spájania má extrémne vysokú energiu väzby, vďaka čomu je celá štruktúra extrémne stabilná.

Je obzvlášť pozoruhodné, že každý atóm kyslíka zvyčajne tvorí mostík s dvoma atómami kremíka, čím spája susedné štvorsteny kremík-kyslík, aby vytvorili súvislú trojrozmernú sieťovú štruktúru. Tento jedinečný spôsob pripojenia poskytuje kremennému sklu vynikajúcu mechanickú pevnosť a chemickú stabilitu.

Najpozoruhodnejším štrukturálnym znakom kremenného skla je jeho amorfný charakter. Aj keď usporiadanie kremíkovo-kyslíkových štvorstenov v lokálnom rozsahu zostáva usporiadané, priestorové usporiadanie týchto štvorstenov je z makroskopického rozsahu úplne neusporiadané. Vďaka tejto štruktúrnej vlastnosti je kremenné sklo izotropné vo fyzikálnych vlastnostiach, to znamená, že jeho vlastnosti sa nemenia so smerom merania.

V porovnaní s kryštalickým kremeňom amorfná štruktúra spôsobuje, že kremenné sklo nemá žiadnu jasnú teplotu topenia, ale počas zahrievania postupne mäkne, čo má veľký význam v praktických aplikáciách.

Porovnanie kremenného skla s kryštalickým kremeňom môže jasnejšie pochopiť jeho štrukturálne vlastnosti. Kremíkovo-kyslíkové štvorsteny v kryštalickom kremeni sú usporiadané podľa prísnych pravidiel hexagonálneho kryštálového systému, aby vytvorili usporiadanú kryštálovú štruktúru s dlhým dosahom. Toto usporiadané usporiadanie spôsobuje, že kryštalický kremeň vykazuje anizotropiu, ako je známy jav dvojlomu. Kremennému sklu však chýba tento rád na dlhé vzdialenosti a nevytvára dvojlom, čo mu dáva jedinečnú výhodu v optických aplikáciách.

Špeciálna štruktúra oxidu kremičitého priamo určuje kľúčové vlastnosti kremenného skla. Po prvé, kontinuálna trojrozmerná sieťová štruktúra robí materiál extrémne transparentným a môže udržiavať vynikajúcu priepustnosť od ultrafialového po infračervené pásma. Po druhé, sieť zložená zo silných kovalentných väzieb môže účinne odolávať rozmerovým zmenám spôsobeným teplotnými zmenami, čo dáva materiálu extrémne nízky koeficient tepelnej rozťažnosti. Okrem toho, stabilné väzby kremík-kyslík robia kremenné sklo inertné voči väčšine chemikálií a bude korodované iba kyselinou fluorovodíkovou a silnými zásadami.

V praktických aplikáciách môžu mať aj stopové množstvá prvkov nečistôt významný vplyv na sieťovú štruktúru oxidu kremičitého. Napríklad, keď ióny hliníka nahradia ióny kremíka a vstúpia do siete, spôsobia sa štrukturálne defekty, čo vedie k zníženiu priepustnosti ultrafialového žiarenia materiálu. Podobne zavedenie iónov alkalických kovov preruší sieť väzieb kremík-kyslík a výrazne zníži odolnosť materiálu voči vysokej teplote. Preto vo vysokovýkonných aplikáciách musí byť čistota surovín prísne kontrolovaná, aby sa zabezpečila integrita štruktúry kremičitej siete.

2. Rozdiel medzi tyčinkou z kremenného skla a inými sklenenými materiálmi
Zo základného zloženia materiálu tyčinka z kremenného skla takmer úplne pozostáva z čistého oxidu kremičitého. Táto extrémne vysoká čistota vytvára súvislú a rovnomernú trojrozmernú sieť v mikroštruktúre. Naproti tomu obyčajné sklo, ako je sodnovápenaté sklo, má oveľa zložitejšie zloženie a okrem oxidu kremičitého obsahuje veľké množstvo modifikovaných oxidov.

Tieto pridané komponenty síce zlepšujú spracovateľský výkon bežného skla, ale zároveň zásadne menia podstatné vlastnosti materiálu. Borosilikátové sklo, ako ďalší bežný typ, má zloženie medzi týmito dvoma a relatívne vyvážený výkon sa získa pridaním oxidu bóru.

Pokiaľ ide o tepelné vlastnosti, tyčinky z kremenného skla vykazujú vynikajúcu stabilitu. Vďaka svojej čistej štruktúre oxidu kremičitého a silnej väzbovej sile kremík-kyslík vydrží kremenné sklo extrémne vysoké teploty bez zmäknutia a deformácie. Táto vlastnosť z neho robí ideálnu voľbu pre vysokoteplotné experimenty a priemyselné aplikácie.

Bežné sklo začína mäknúť pri relatívne nízkych teplotách, čo výrazne obmedzuje jeho použitie v prostredí s vysokou teplotou. Hoci má borosilikátové sklo do určitej miery zlepšenú tepelnú odolnosť, stále nemôže dosiahnuť úroveň kremenného skla.

Tyčinky z kremenného skla vďaka vysoko čistému zloženiu a jednotnej štruktúre majú mimoriadne vynikajúce vlastnosti prenosu svetla. Dokáže nielen prenášať viditeľné svetlo, ale umožňuje aj hladký prechod ultrafialových a infračervených lúčov. Túto schopnosť širokopásmového prenosu svetla dosahujú iné sklenené materiály len ťažko.

Obyčajné sklo obsahuje rôzne kovové ióny a nečistoty, čo má veľmi zjavný blokovací účinok na ultrafialové lúče, vďaka čomu nie je úplne schopné nahradiť kremenné sklo v aplikáciách, ktoré vyžadujú ultrafialový prenos. Hoci optické vlastnosti borosilikátového skla sú lepšie ako bežné sklo, jeho priepustnosť svetla v ultrafialovej oblasti je stále nižšia ako u kremenného skla.

Pokiaľ ide o chemickú stabilitu, tyčinky z kremenného skla tiež dosahujú vynikajúce výsledky. Má silnú odolnosť voči väčšine kyslých látok a bude korodovaný iba niekoľkými vysoko korozívnymi látkami, ako je kyselina fluorovodíková. Táto vynikajúca odolnosť proti korózii ho robí široko používaným v chemickom priemysle. Chemická stabilita bežného skla je pomerne zlá, najmä v alkalickom prostredí. Hoci sa chemická odolnosť borosilikátového skla zlepšila, stále nie je porovnateľná s kremenným sklom.

Z mikroskopického hľadiska je ďalšou dôležitou vlastnosťou kremenného skla jeho extrémne nízky koeficient tepelnej rozťažnosti. To znamená, že veľkosť kremenného skla sa pri zmene teploty takmer nemení. Táto vlastnosť ho robí nenahraditeľným v presných optických prístrojoch a prostrediach s prudkými zmenami teploty. Bežné sklo má oveľa väčšiu tepelnú rozťažnosť, čo môže pri kolísaní teploty spôsobiť pnutie a dokonca aj praskanie. Borosilikátové sklo znižuje tepelnú rozťažnosť vďaka špeciálnemu zloženiu, ale stále nemá také dobré výsledky ako kremenné sklo.

V skutočných aplikačných scenároch tieto výkonnostné rozdiely priamo určujú použiteľné oblasti rôznych sklenených materiálov. Tyčinky z kremenného skla sú široko používané v špičkových oblastiach, ako je výroba polovodičov, presná optika a vysokoteplotné experimenty, vďaka ich vynikajúcemu komplexnému výkonu.

Obyčajné sklo sa používa najmä v oblasti dennej potreby a stavebných odboroch. Jeho výhodou je nízka cena a jednoduché spracovanie. Borosilikátové sklo si našlo svoje postavenie na trhu a používa sa v laboratórnom náradí a niektorých špeciálnych lampách.

3. Proces výroby tyče z kremenného skla
Výroba tyčinky z kremenného skla je komplexný proces, ktorý spája vedu o materiáloch, vysokoteplotnú technológiu a presné spracovanie. Jadro spočíva v tom, ako premeniť suroviny oxidu kremičitého na výrobky v tvare tyče so špecifickými požiadavkami na výkon a veľkosť. Celý výrobný proces možno rozdeliť do štyroch hlavných etáp: spracovanie surovín, tvarovanie taveniny, tvarovanie ťahaním a následné spracovanie. Každá fáza si vyžaduje prísnu kontrolu, aby sa zabezpečila kvalita konečného produktu.

(1). Príprava a predúprava surovín
Prvým článkom výroby kremenného skla je výber a čistenie surovín. Podľa požiadaviek na kvalitu produktu je možné ako suroviny zvoliť prírodný kremenný piesok alebo syntetický oxid kremičitý. Pre kremenné tyče s vysokými požiadavkami na čistotu sa zvyčajne používa syntetický oxid kremičitý pripravený chemickým naparovaním a jeho čistota môže dosiahnuť viac ako 99,9999%.

Suroviny musia pred vstupom do procesu tavenia prejsť viacerými procesmi čistenia: najprv sa na odstránenie kovových nečistôt používa morenie, potom sa na ďalšie čistenie vykoná vysokoteplotná chlorácia a nakoniec sa použije presné preosievanie, aby sa zabezpečila jednotná veľkosť častíc. Kvalita spracovania v tejto fáze priamo ovplyvňuje optické vlastnosti a tepelnú stabilitu konečného produktu.

(2). Proces tavenia pri vysokej teplote
Tavenie je základným článkom výroby kremenného skla. V súčasnosti sa v priemysle používajú najmä tri technológie tavenia:

Elektrické tavenie je najtradičnejší výrobný proces. V prostredí ochrany vákua alebo inertného plynu sa kremenný piesok roztaví vysokoteplotným oblúkom generovaným grafitovou elektródou. Táto metóda má relatívne nízke náklady na vybavenie a je vhodná na výrobu veľkých kremenných tyčí, ale v produkte môže zostať malé množstvo uhlíkových nečistôt.

Metóda rafinácie plynu využíva ako zdroj tepla vodíkovo-kyslíkový plameň a teplota môže dosiahnuť viac ako 2000 °C. Kremenný piesok vysokej čistoty sa taví vo vodíkovo-kyslíkovom plameni a mimoriadne čisté kremenné sklo možno získať presnou reguláciou teploty plameňa a času tavenia. Táto metóda je obzvlášť vhodná na výrobu kremenných tyčiniek optickej kvality, ale spotreba energie je vysoká a účinnosť výroby je relatívne nízka.

Plazmové tavenie je špičková technológia vyvinutá v posledných rokoch. Používa plazmový horák na generovanie ultra vysokej teploty (až 3000 °C) na okamžité roztavenie surovín. Výhodou tejto metódy je, že môže produkovať kremenné sklo s ultra vysokou čistotou, ktoré je takmer bez hydroxylových a iných nečistôt a je obzvlášť vhodné pre polovodičové a optické aplikácie, ale zariadenie je zložité a nákladné.

(3). Proces lisovania a ťahania
Roztavené kremenné sklo musí byť presne tvarované, aby sa získali tyče, ktoré spĺňajú požiadavky. Existujú dva hlavné spôsoby tvarovania:

Metóda formovania vstrekuje roztavený kremeň do špeciálnej formy a presným riadením rýchlosti chladenia získa požadovaný tvar. Táto metóda je vhodná na výrobu kremenných tyčí s veľkým priemerom, ale vo vnútri výrobku môže byť koncentrácia napätia.

Metóda kontinuálneho ťahania je najčastejšie používaným výrobným procesom. Roztavený kremeň vyteká zo špeciálnej priesakovej dosky a je ťahaný konštantnou rýchlosťou cez presne riadený trakčný systém. Úpravou rýchlosti ťahania a teploty možno získať rôzne špecifikácie produktov s priemermi od niekoľkých milimetrov do stoviek milimetrov. Teplotný gradient a rýchlosť chladenia musia byť počas procesu ťahania presne kontrolované, aby sa zabezpečila rozmerová presnosť a vnútorná kvalita tyče.

(4). Presné spracovanie žíhaním
Novovytvorená kremenná tyč musí prejsť prísnym procesom žíhania, aby sa eliminovalo vnútorné napätie. Proces žíhania sa zvyčajne vykonáva v špeciálnej žíhacej peci s teplotou regulovanou medzi 1100-1200 ℃ a doba izolácie závisí od veľkosti tyče. Kľúčom je prísne kontrolovať rýchlosť chladenia. Zvyčajne je spôsob chladenia segmentovaný. Zo zóny s vysokou teplotou do zóny s nízkou teplotou môže trvať niekoľko dní. Dokonalé žíhanie môže výrazne zlepšiť tepelnú stabilitu a mechanickú pevnosť kremennej tyče.

(5). Následné spracovanie a konečná úprava
Žíhaná kremenná tyč musí tiež prejsť niekoľkými presnými procesmi obrábania:

Obrábanie zahŕňa valcové brúsenie, čelné brúsenie atď., aby sa zabezpečila rozmerová presnosť a povrchová úprava. Pre kremenné tyče so špeciálnymi požiadavkami môže byť potrebné zložité spracovanie, ako je vŕtanie a drážkovanie.

Povrchová úprava je kľúčovým krokom na zlepšenie výkonu, vrátane procesov, ako je leštenie ohňom a chemické leptanie. Leštenie ohňom využíva vysokoteplotný plameň na mikrotavenie povrchu, aby sa získal opticky hladký povrch; chemické leptanie sa používa na odstránenie vrstvy poškodenia pri spracovaní a zlepšenie pevnosti.

Špeciálne úpravy môžu zahŕňať: UV ožarovanie na zlepšenie optických vlastností, vysokoteplotné tepelné spracovanie na zníženie obsahu hydroxylových skupín alebo povrchovú úpravu na zlepšenie špecifických funkcií podľa požiadaviek aplikácie.

6. Kontrola a kontrola kvality
Hotová kremenná tyč musí pred opustením továrne prejsť sériou prísnych procesov kontroly kvality. Tieto kontrolné položky pokrývajú viaceré kľúčové ukazovatele výkonnosti materiálu, ako je optika, fyzika, teplo a chémia. V teste optického výkonu technici použijú presný spektrofotometer na meranie priepustných charakteristík kremennej tyče pri rôznych vlnových dĺžkach, pričom budú venovať osobitnú pozornosť jej priepustnosti v ultrafialovom a infračervenom pásme.

Súčasne sa na detekciu rovnomernosti indexu lomu použijú laserové interferometre a ďalšie zariadenia, aby sa zabezpečilo, že optický výkon celej kremennej tyčinky spĺňa konštrukčné požiadavky. Tieto údaje z optických testov sú rozhodujúce na určenie, či kremenná tyčinka je vhodný pre presné optické systémy.

Detekcia presnosti geometrických rozmerov je základným článkom kontroly kvality. Inšpektori použijú vysoko presné posuvné meradlá, mikrometre a ďalšie meracie nástroje na meranie základných rozmerov kremennej tyče, ako je priemer, dĺžka a zaoblenie. Pre aplikácie s vysokým dopytom sa môže použiť aj trojsúradnicový merací stroj na presnejšiu detekciu rozmerov, aby sa zabezpečilo, že geometrická tolerancia kremennej tyče je kontrolovaná v povolenom rozsahu. Tento test priamo súvisí s presnosťou zhody kremennej tyče v následnom procese montáže a používania.

Vnútornú kontrolu defektov dopĺňa najmä profesionálne testovacie zariadenie. Bežné metódy zahŕňajú pozorovanie optickým mikroskopom, röntgenovú detekciu chýb a ultrazvukové testovanie. Tieto metódy detekcie môžu presne identifikovať chyby, ako sú bubliny, nečistoty, praskliny atď., ktoré sa môžu vyskytovať vo vnútri kremennej tyčinky, a určiť stupeň produktu podľa veľkosti, množstva a distribúcie defektov. Najmä pre optické a polovodičové kremenné tyčinky sú kontrolné štandardy pre vnútorné defekty prísnejšie a zvyčajne nevyžadujú žiadne viditeľné defekty.

Testovanie tepelných vlastností zahŕňa hlavne dve dôležité položky: test koeficientu tepelnej rozťažnosti a test odolnosti proti tepelným šokom. Test koeficientu tepelnej rozťažnosti využíva termomechanický analyzátor na meranie rozmerových zmien kremennej tyče pri rôznych teplotách. Skúška odolnosti voči tepelným šokom má za úlohu rýchlo prepínať kremennú tyč medzi prostredím s vysokou a nízkou teplotou, aby sa zistila jej odolnosť voči prasknutiu. Tieto údaje o tepelnom výkone majú veľkú referenčnú hodnotu pre hodnotenie spoľahlivosti kremenných tyčí v prostrediach so zmenou teploty.

Testovanie chemickej stability hodnotí hlavne toleranciu kremenných tyčiniek v rôznych chemických prostrediach. Bežné testovacie metódy zahŕňajú ponorenie vzoriek kremenných tyčiniek do roztokov kyselín a zásad rôznych koncentrácií, pozorovanie zmien ich povrchu a meranie zmien hmotnosti a zmien drsnosti povrchu pred a po ponorení.

Spomedzi nich je obzvlášť dôležitá skúška odolnosti voči kyseline fluorovodíkovej, pretože kremenné sklo je obzvlášť náchylné na koróziu v prostredí kyseliny fluorovodíkovej. Prostredníctvom týchto komplexných testov kvality je možné zabezpečiť, že každá kremenná tyč odoslaná z továrne spĺňa prísne normy kvality a spĺňa špeciálne požiadavky rôznych aplikačných scenárov.

7. Oblasti použitia tyčinky z kremenného skla
V oblasti optického inžinierstva zohrávajú kremenné sklenené tyčinky zásadnú úlohu. Vďaka vynikajúcej celopásmovej priepustnosti ultrafialového a infračerveného svetla je ideálnym materiálom na výrobu vysoko presných optických komponentov. V aplikáciách laserovej technológie sa kremenné tyčinky často používajú ako rezonančné dutinové médiá a optické okná laserov, najmä vo vysokovýkonných CO2 laseroch, kde kremenné tyčinky dokážu odolať extrémne silnej laserovej energii bez poškodenia.

V komunikačných systémoch s optickými vláknami sa tyčinky z kremenného skla s mimoriadne vysokou čistotou presne ťahajú, aby vytvorili predlisky z optických vlákien, ktoré sú základnými surovinami na výrobu komunikačných optických vlákien. Pri výrobe optických prístrojov sa kremenné tyčinky spracovávajú do rôznych šošoviek, hranolov a optických okien, ktoré sa široko používajú vo vysoko presných optických zariadeniach, ako sú spektrometre a mikroskopy.

Polovodičový priemysel je obzvlášť závislý od tyčí z kremenného skla. Počas procesu výroby plátkov sa z kremenných tyčiniek vyrábajú rôzne tvary nosičov plátkov, difúznych trubíc a komponentov reakčnej komory. Tieto komponenty musia odolať vysokoteplotnému prostrediu v procese výroby polovodičov a musia zabezpečiť, aby sa do nich nedostali žiadne kontaminujúce nečistoty.

V pokročilej technológii extrémnej ultrafialovej (EUV) litografie sa optické komponenty vyrobené z kremenného skla stali kľúčom k dosiahnutiu presnosti litografie na nanoúrovni vďaka ich extrémne nízkemu koeficientu tepelnej rozťažnosti a vynikajúcej optickej jednotnosti. Okrem toho sú tyče z kremenného skla tiež široko používané v pozorovacích oknách, plynovodoch a iných častiach polovodičových zariadení kvôli ich chemickej inertnosti.

Chemický priemysel plne využíva odolnosť proti korózii tyčinky z kremenného skla . V chemických reaktoroch v silne kyslom prostredí môžu kremenné pozorovacie okienka dlhodobo odolávať rôznym silným kyslým eróziám okrem kyseliny fluorovodíkovej. Z kremenného skla sa často vyrábajú aj rozvody korozívneho média, miešacie tyče a iné komponenty v chemickej výrobe.

Zvlášť stojí za zmienku, že pri vysokoteplotných a vysokotlakových chemických reakčných experimentoch môžu kremenné reakčné nádoby súčasne odolávať drsným teplotám a chemickým prostrediam, čím poskytujú výskumníkom spoľahlivé experimentálne podmienky. Kremenné sklo funguje v týchto aplikáciách oveľa lepšie ako bežné sklo a väčšina kovových materiálov.

V posledných rokoch sa materiály z kremenného skla čoraz viac používajú v lekárskej a zdravotníckej oblasti. Čo sa týka medicínskych zariadení, kremenné tyčinky sa používajú na výrobu optických transmisných komponentov endoskopov, svetlovodných prvkov laserových chirurgických nástrojov atď. Ich vynikajúca biokompatibilita zaisťuje, že tieto nástroje môžu byť bezpečne použité na liečbu ľudí.

V zariadeniach na ultrafialovú dezinfekciu sa ako materiály lámp používajú tyčinky z kremenného skla s vysokou priepustnosťou, aby sa maximalizovala účinnosť sterilizácie. Okrem toho v niektorých presných lekárskych testovacích prístrojoch zaisťujú kremenné optické prvky presnosť výsledkov testu.

Dopyt po tyčinky z kremenného skla v oblasti vedeckého výskumu a experimentu je tiež silná. Vo fyzikálnych experimentoch s vysokou energiou sa kremenné tyče používajú ako dôležité súčasti detektorov žiarenia Čerenkov. Vo výskume materiálovej vedy poskytujú kremenné tégliky a reakčné nádoby ideálne prostredie pre vysokoteplotnú syntézu materiálov.

V oblasti vesmírnej vedy je odolnosť kremenného skla voči žiareniu preferovaným materiálom pre optické systémy kozmických lodí. Tieto špičkové vedecké výskumné aplikácie majú často extrémne požiadavky na materiálové vlastnosti a tyče z kremenného skla dokážu túto úlohu vždy zvládnuť vynikajúco.