شیشه کوارتز

شیشه کوارتز از سلیس ذوب شده، سیلیس ذوب شده یا شیشه کوارتز، شیشه ای است که از سیلیس تقریبا خالص (دی اکسید سیلیکون، SiO2) به شکل آمورف (غیر کریستالی) تشکیل شده است. شیشه کوارتز در مقایسه با شیشه های تجاری دیگر که در متریال ساخت آنها از مواد دیگر استفاده میشود ، مانند کاهش دمای ذوب، متفاوت است. بنابراین، کوارتز ذوب شده دارای دمای کاری و ذوب بالایی است که آن برای اکثر کاربردهای رایج نامناسب می کند.

اصطلاحات کوارتز ذوب شده و سیلیس ذوب شده به جای یکدیگر استفاده می شوند، اما می توانند به تکنیک های مختلف تولید اشاره داشته باشند، همانطور که در زیر ذکر شد، که منجر به ناخالصی های متفاوت می شود. با این حال شیشه کوارتز ، که در حالت شیشه ای قرار دارد، دارای خواص فیزیکی کاملاً متفاوتی در مقایسه با کوارتز کریستالی است. به دلیل خواص فیزیکی آن، به عنوان مثال، کاربردهای ویژه ای در ساخت نیمه هادی ها و تجهیزات آزمایشگاهی پیدا می کند

شیشه کوارتز در مقایسه با سایر شیشه های رایج، انتقال نوری سیلیس خالص به خوبی به طول موج های فرابنفش و مادون قرمز گسترش می یابد، بنابراین برای ساخت عدسی ها و سایر اپتیک ها برای این طول موج ها استفاده می شود. بسته به فرآیندهای تولید، ناخالصی ها انتقال نوری را محدود می کنند و در نتیجه درجات تجاری کوارتز ذوب شده برای استفاده در مادون قرمز یا (که اغلب به عنوان سیلیس ذوب شده نامیده می شود) در اشعه ماوراء بنفش بهینه می شوند. ضریب انبساط حرارتی کم کوارتز ذوب شده آن را به ماده ای مفید برای زیرلایه های آینه ای دقیق تبدیل می کند.

کوارتز ذوب شده از  (ذوب) ماسه سیلیسی با خلوص بالا که از کریستال های کوارتز تشکیل شده است تولید می شود. چهار نوع اصلی شیشه سیلیسی تجاری وجود دارد:

نوع اول: با ذوب القایی کوارتز طبیعی در خلاء یا اتمسفر بی اثر تولید می شود.

نوع دوم : از ذوب پودر کریستال کوارتز در شعله با دمای بالا تولید می شود.

نوع سوم : از سوزاندن SiCl4 در شعله هیدروژن-اکسیژن تولید می شود.

نوع چهارم : با سوزاندن SiCl4 در شعله پلاسمایی بدون بخار آب تولید می شود.

کوارتز فقط حاوی سیلیکون و اکسیژن است، اگرچه شیشه کوارتز تجاری اغلب حاوی ناخالصی است. دو ناخالصی غالب آلومینیوم و تیتانیوم  هستند که بر انتقال نوری در طول موج های فرابنفش تأثیر می گذارند. اگر آب در فرآیند تولید وجود داشته باشد، گروه های هیدروکسیل (OH) ممکن است جاسازی شوند که باعث کاهش انتقال در مادون قرمز می شود.

نحوه ذوب شیشه کوارتز

ذوب تقریباً در دمای 2200 درجه سانتیگراد (4000 درجه فارنهایت) با استفاده از یک کوره الکتریکی (با ذوب الکتریکی) یا یک کوره با سوخت گاز/اکسیژن (با شعله ذوب کننده) انجام می شود.

سیلیس ذوب شده را می توان تقریباً از هر پیش ماده شیمیایی غنی از سیلیکون تهیه کرد، معمولاً با استفاده از یک فرآیند مداوم که شامل اکسیداسیون شعله ترکیبات سیلیکون فرار به دی اکسید سیلیکون و هم جوشی حرارتی غبار حاصل می شود (اگرچه فرآیندهای جایگزین استفاده می شود). این منجر به یک شیشه شفاف با خلوص فوق العاده بالا و بهبود انتقال نوری در اشعه ماوراء بنفش عمیق می شود. یک روش متداول شامل افزودن تتراکلرید سیلیکون به شعله هیدروژن-اکسیژن است.

کیفیت محصول

کوارتز ذوب شده معمولاً شفاف است. با این حال، اگر حباب‌های کوچک هوا در داخل آن محبوس شوند، می‌تواند شفاف شود. محتوای آب (و بنابراین انتقال مادون قرمز) کوارتز ذوب شده توسط فرآیند تولید تعیین می شود. مواد ذوب شده با شعله به دلیل ترکیب هیدروکربن ها و اکسیژن سوخت کوره، همیشه محتوای آب بیشتری دارند و گروه های هیدروکسیل [OH] را در داخل مواد تشکیل می دهند. یک ماده درجه مادون قرمز معمولاً محتوای [OH] کمتر از 10 ppm دارد.

موارد استفاده

بسیاری از کاربردهای نوری کوارتز ذوب شده از گستره شفافیت گسترده آن بهره می برند، که می تواند به خوبی تا اشعه ماوراء بنفش و مادون قرمز تقریباً متوسط گسترش یابد. کوارتز ذوب شده ماده اولیه کلیدی برای فیبر نوری است که برای مخابرات استفاده می شود.

به دلیل استحکام و نقطه ذوب بالا (در مقایسه با شیشه معمولی)، کوارتز ذوب شده به عنوان پوششی برای لامپ های هالوژن و لامپ های تخلیه با شدت بالا استفاده می شود، که باید در دمای پوشش بالا کار کنند تا ترکیبی از روشنایی بالا و عمر طولانی داشته باشند. . برخی از لوله‌های خلاء پرقدرت از پوشش‌های سیلیسی استفاده می‌کردند که انتقال خوب آن در طول موج‌های فروسرخ، خنک‌سازی تابشی آندهای رشته‌ای آنها را تسهیل می‌کرد.

به دلیل قدرت فیزیکی، کوارتز ذوب شده در کشتی های غواصی عمیق مانند باتیسفر و بنتوسکوپ و در پنجره های فضاپیماهای خدمه، از جمله شاتل فضایی و ایستگاه فضایی بین المللی استفاده شد.

در صنعت نیمه هادی، ترکیبی از استحکام، پایداری حرارتی و شفافیت UV آن را به یک بستر عالی برای ماسک های پروجکشن برای فوتولیتوگرافی تبدیل می کند.

یک EPROM با پنجره کوارتز ذوب شده در بالای بسته
شفافیت UV آن همچنین به عنوان پنجره روی EPROM ها (حافظه فقط خواندنی قابل برنامه ریزی قابل پاک کردن) استفاده می شود، نوعی تراشه حافظه غیر فرار که با قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش قوی پاک می شود. EPROM ها توسط پنجره شفاف کوارتز ذوب شده (اگرچه برخی از مدل های بعدی از رزین شفاف UV استفاده می کنند) که در بالای بسته قرار می گیرد، که از طریق آن تراشه سیلیکونی قابل مشاهده است و نور UV را برای پاک کردن منتقل می کند، قابل تشخیص هستند.

به دلیل پایداری و ترکیب حرارتی، در ذخیره سازی داده های نوری 5 بعدی [10] و در کوره های ساخت نیمه هادی استفاده می شود.

کوارتز ذوب شده دارای خواص تقریبا ایده آلی برای ساخت اولین آینه های سطحی مانند آینه های مورد استفاده در تلسکوپ ها است. این ماده به روشی قابل پیش بینی رفتار می کند و به سازنده نوری اجازه می دهد تا یک پولیش بسیار صاف را روی سطح قرار دهد و با تکرارهای آزمایشی کمتر شکل مورد نظر را تولید کند. 

در برخی موارد، درجه خلوص UV از کوارتز ذوب شده برای ساخت چندین عنصر لنز بدون پوشش منفرد از لنزهای با کاربرد خاص، از جمله Zeiss 105 mm f/4.3 UV Sonnar، عدسی که قبلاً برای دوربین هاسلبلاد ساخته شده بود، استفاده شده است. و لنز Nikon UV-Nikkor 105 mm f/4.5 (که در حال حاضر با نام Nikon PF10545MF-UV فروخته می شود). این لنز ها برای عکاسی UV استفاده می‌شوند، زیرا شیشه کوارتز می‌تواند در طول موج‌های بسیار کوتاه‌تری نسبت به لنزهایی که با فرمول‌های رایج تری از سنگ چخماق یا شیشه‌ های تاج ساخته می‌ شوند، شفاف باشد.

کوارتز ذوب شده را می توان برای استفاده به عنوان بستر مدارهای مایکروویو با دقت بالا فلزی و حکاکی کرد، پایداری حرارتی آن را به انتخاب خوبی برای فیلترهای باند باریک و کاربردهای مشابه تبدیل می کند. ثابت دی الکتریک پایین تر از آلومینا به مسیرهای امپدانس بالاتر یا زیر لایه های نازک تر اجازه می دهد.

شیشه کوارتز

کاربرد موارد نسوز

کوارتز ذوب شده به عنوان یک ماده خام صنعتی برای ساخت اشکال مختلف نسوز مانند بوته ها، سینی ها، رول ها و غلتک ها برای بسیاری از فرآیندهای حرارتی با دمای بالا از جمله فولادسازی، ریخته گری سرمایه گذاری و تولید شیشه استفاده می شود. اشکال نسوز ساخته شده از کوارتز ذوب شده دارای مقاومت شوک حرارتی عالی هستند و از نظر شیمیایی نسبت به اکثر عناصر و ترکیبات، از جمله تقریباً تمام اسیدها، صرف نظر از غلظت، بی اثر هستند، به جز اسید هیدروفلوریک که حتی در غلظت های نسبتاً کم بسیار واکنش پذیر است. لوله‌های کوارتز ذوب شده شفاف معمولاً برای روکش کردن عناصر الکتریکی در بخاری‌های اتاق، کوره‌های صنعتی و سایر کاربردهای مشابه استفاده می‌شوند.

به دلیل میرایی مکانیکی پایین آن در دماهای معمولی، از آن برای تشدید کننده های HI-Q ، به ویژه برای تشدید کننده شیشه شراب ژیروسکوپ تشدید کننده نیمکره استفاده می شود. به همین دلیل کوارتز ذوب شده نیز ماده ای است که برای سازهای شیشه ای مدرن مانند چنگ شیشه ای و وروفون استفاده می شود و همچنین برای ساخت های جدید سازدهنی شیشه ای تاریخی استفاده می شود که به این سازها دامنه دینامیکی بیشتر و صدای واضح تری نسبت به سازها می دهد.

ظروف شیشه‌ای کوارتز گاهی در آزمایشگاه‌های شیمی استفاده می‌شوند، زمانی که شیشه بوروسیلیکات استاندارد نمی‌تواند دماهای بالا را تحمل کند یا زمانی که انتقال UV بالا مورد نیاز است. هزینه تولید به طور قابل توجهی بالاتر است و استفاده از آن را محدود می کند. معمولاً به عنوان یک عنصر اساسی منفرد، مانند لوله در یک کوره، یا به عنوان یک فلاسک، عناصری که مستقیماً در معرض گرما قرار دارند، یافت می شود.

© تمامی حقوق  مادی و معنوی این سایت متعلق به گروه صنعتی ایران کوارتز میباشد.