石英玻璃的生产

石英玻璃的生产

本文介绍将石英原料转化为成型熔融石英玻璃的步骤。

洗涤和干燥

天然石英中存在的污垢、水分和污染物在加工的早期阶段被去除，这可能会影响所生产的石英玻璃的质量和性能。这仅适用于开采的石英。

粉碎

此步骤的目的是将石英原料减小到适合所使用的熔融方法和机械的尺寸。天然石英经过一系列尺寸减小步骤，例如破碎和研磨(球磨或辊磨)。石英本质上很脆，这使得粉碎很容易。然后，分析粒度并分离较大的颗粒。

融合

在此阶段，使用热能来破坏牢固的硅-氧键。随着温度升高，更多的键被破坏，导致石英的粘性流动降低。成型并冷却至最终形式后，SiO2 分子的有序晶体结构转化为玻璃质、非晶结构和石英的亚稳态形式。

根据所需的纯度水平和最终用途，天然石英可以通过以下熔融方法均质化和形成：

电融合

该方法生产工业上已知的 I 型石英玻璃，该材料将含有 100 ppm 至 130 ppm OH 含量。如果要获得高纯度和低羟基 (OH) 含量 (> 1 ppm – 30 ppm)，则使用电熔。使用真空退火工艺，可以根据某些应用的需要将 OH 含量降低到必要的水平。较低的 OH 含量可提高红外范围(2750nm)内紫外线的透射率，这对于某些应用而言至关重要。以天然石英粒为起始原料，可采用以下生产方式：

· 连续模式：石英砂连续供给到包含电加热装置的难熔金属坩埚柱的顶部。坩埚内室保持干燥且真空密封的气氛，以防止熔化的石英与耐火材料发生反应。通过热坩埚柱后，熔化的石英被收集在位于柱底部的孔口中，在其中被成形并切割成板、管和棒。该方法适合大批量生产。

· 批量或圆球模式：将大量石英放置在耐火材料衬里的真空室内，该真空室还包含电加热装置。石英熔化后，收集粘性熔体并将其成型为最终形状。单个晶锭的厚度可能为 72 英寸 x 24 英寸，重量可达 8000 磅。通过对毛坯进行切割、切片和切丁，制成板、盘、法兰和其他部件。大多数物品都会经过机械抛光或火抛光以使其清晰。

火焰融合

在该方法中，天然石英或合成前体可以作为起始材料。天然石英穿过具有高温氢/氧 (H2/O2) 火焰的室，直到起始材料熔化。如果使用气态合成前体四氯化硅 (SiCl4)，则使其与 H2/O2 火焰发生反应。

粘性熔体沉积在耐火衬里的真空室中，通过容器底部的模具缓慢收集，并成形为最终形状。由于直接与 H2/O2 火焰接触，该方法从天然石英中生产出 OH 含量为 150-200 ppm 的石英玻璃，而合成二氧化硅中的 OH 含量高达 1000 ppm。以这种方式生产的材料具有高稳定的 OH 含量，无法进行真空退火。生产的石英将具有较低的温度软化点和较低的操作温度。

用这种方法制造的石英玻璃具有更高且更稳定的OH含量，无法真空退火。石英材料将具有较低的温度软化点和较低的操作温度。

由水晶石英通过火焰熔融生产的玻璃被归类为 II 型，由合成前体生产的玻璃被归类为 III 型。III 型合成石英玻璃是化学反应的产物。四氯化硅的燃烧产生合成石英，并留下对环境有毒的副产品、氯和盐酸。

等离子聚变

该过程类似于火焰融合，使用无水蒸气的等离子火焰作为热源。等离子熔融石英玻璃纯度高、羟基含量低、气泡含量极低、无拉丝。

天然石英或合成前体可以是该方法的起始材料。由合成前体在等离子火焰中燃烧产生的石英玻璃被称为 IV 型。

电弧聚变

石英砂在电弧炉中熔化。沙子的加热会产生一种玻璃质材料，其中含有微气泡，这些气泡会衍射光线，从而使材料具有不透明性。将所得玻璃锭粉碎并模制成部件，然后干燥和烧结。生产的石英玻璃呈白色不透明状，一般不属于任何类型的石英玻璃，且含有 100 ppm 至 130 ppm 的 OH 含量。

成型和精加工工艺

石英玻璃的制造和成型不同于用于制造典型玻璃的工艺。由于石英玻璃不流动而是软化并变得粘稠，因此需要较高的温度。

机械成型

由于石英玻璃的硬度，其成型和成型可能需要金刚石切割工具。此外，必须优化此类操作参数，因为石英玻璃也很脆，并且在发生破裂或断裂之前可以施加的力有限。一些机械过程包括：

· 切割：带锯和线锯、切锯、CO2 激光器和水射流切割机用于切割石英玻璃。使用激光切割机可以留下光滑光滑的切口。锯切会留下粗糙的切口。如果单次切割不够，厚石英玻璃板可能需要多次连续切割。可能需要退火来减轻热引起的应力。通过真空退火工艺，可以降低 OH 含量以满足某些应用的需求。较低的 OH 含量可以提高 2750 nm IR 范围内的紫外线透射率，这对于某些应用可能至关重要。

· 钻孔：如熔融石英玻璃产品中详述，可以使用金刚石钻机打孔。激光钻孔机可用于切割薄的小板。必须确保适当的冷却，以防止工具过早磨损。

· 研磨：石英玻璃表面可能会变得光滑，其厚度可能会减少，具体取决于最终用途。

热成型

由于石英玻璃的高熔点和陡峭的粘度，其热成型非常复杂，使其可以在非常窄的温度范围内成型。温度太低，玻璃呈固态;如果温度太高，玻璃的粘性和挥发性就会降低，导致零件蒸发。除此之外，还需要单个或多个退火步骤来减轻热应力并防止热成型引起的断裂。以下是制造商可以用来增强玻璃产品的一些热成型方法：

· 焊接：石英玻璃的两个组件通过焊接连接在一起。每个部件的端部被加热，一块石英玻璃被熔化以填充接缝或接缝中的间隙。保持温度足够高以避免热应力至关重要。

· 塌陷：管子被局部加热至软化温度。向内部施加压力以减小管的直径。

· 伸长和压缩：施加正或负径向力将石英玻璃棒伸长或压缩至其最终直径。这是在石英玻璃的软化温度下进行的，并且必须施加最佳的力以防止破裂和破裂。

· 玻璃吹制：借助吹管对一块熔融石英玻璃进行充气，以获得中空形状。