Технология кварцевого стекла

1. ТЕХНОЛОГИЯ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

РХТУ им. Д.И. Менделеева
Кафедра химической
технологии стекла и
ситаллов
1

2.

Кварцевое стекло
Содержание SiO2 – (96,5 – 99,99…) %
Примеси:
• газовые пузыри, мошка – снижают общее
светопропускание
• оксиды металлов – дают полосы
поглощения на разных длинах волн
• гидроксильные группы ОН- – дают полосу
поглощения в ИК-области
2

3. Структура кварцевого стекла

Кварцевое стекло - неорганический полимер
каркасного типа из тетраэдров SiO4 c ионноковалентными связями.
Характеристика тетраэдра SiO4
Длина связи Si – O – 0,162 нм
Расстояние О – О – 0,265 нм
Угол O – Si – О
– 109 град
3

4. Структура кварцевого стекла

Тетраэдры SiO4 образуют 4-, 5-, 6-членные кольцевые
группировки.
Угол Si – O – Si изменяется в пределах 120 – 180 град;
среднее значение = 144 град.
Кварц
Кварцевое стекло
4

5.

Примесные дефекты структуры
Изоморфное замещение:
Si4+ → Ti4+ ; Si4+ → Ge4+
Неизоморфное внедрение с
разрывом связи:
Si
– O – Si → Si – O – R+
Гидроксильные группы
Собственные дефекты сетки
Кислородные вакансии – O – Si – Si – O –
Свободные радикалы [SiO3] –
Соединения Si низшей степени
окисления
Реликты кварца и
кристобалита 5

6.

Ведущие физико-химические свойства
кварцевого стекла
Огнеупорность, рабочая температура
до 1400 – 1500 ОС (кратковременный нагрев);
до 1000 – 1100 ОС (длительный нагрев)
Термостойкость: ТКЛР – (5,2 – 5,5) 10-7 1/град
Электросопротивление: ρ = 1014 – 1018 Ом м (20ОС);
Пробивное напряжение – более 40 кВ/мм (20ОС)
Диэлектрические потери – tg δ = 1 10-4
Химическая стойкость : 1 гидролитический класс
6

7.

Кварцевое стекло
Непрозрачное
Прозрачное
SiO2 – более 96,5%
SiO2 – 99,99%
Газовые пузыри (диаметр
0,03 – 0,3 мм)
Примеси – 0,01% и
менее
Примеси Al2O3, Fe2O3, CaO,
MgO
Спеченое кварцевое стекло
(кварцевая керамика, керсил)
7

8. Номенклатура кварцевого оптического стекла

КВ
Оптическое, прозрачное в видимой области спектра.
Имеет поглощения в интервалах длин волн 170 – 250 нм (УФ) и 2100 2800 нм (ИК).
КУ
Оптическое, прозрачное в УФ- и видимой областях спектра.
Не имеет или имеет слабые полосы поглощения в интервале длин волн
170 – 250 нм (УФ)
Имеет поглощение в интервале длин волн 2100 - 2800 нм (ИК).
КИ
Оптическое, прозрачное в видимой и ИК- областях спектра.
Не имеет полос поглощения в интервале длин волн 2600 - 2800 нм (ИК).
КУВИ
Оптическое, прозрачное в УФ-, видимой и ИК-областях спектра.
Имеет слабые полосы поглощения в интервале длин волн 170 – 250 нм и
320 – 350 нм и полосу поглощения в интервале длин волн 2600 – 2800
нм.
8

9. Спектры пропускания стекол разных типов

9

10. Спектры пропускания кварцевого оптического стекла разных марок

КВ
КИ
КУ-1
КУВИ
10

11. Спектральные кривые пропускания прозрачных кварцевых стекол

1 – КВ;
2 – КУ;
3КУВИ
толщина образцов 10 мм11

12. Зарубежные аналоги:

Марка КУ-1
• Spectrasil (Англия)
• Suprasil (Германия)
• Corning 7940; Dunnasil (США)
• Tetrasil (Франция)
• 4040 (Япония)
Марка КВ
Vitreosil (Англия)
12

13. Основные свойства прозрачного и непрозрачного кварцевого стекла

Свойство
Прозрачное КС Непрозрачное КС
Плотность, кг/м3
2200
2020 - 2080
Модуль Юнга Е, ГПа
74,5
45
Предел прочности на
сжатие, МПа
600
300
1000 – 1100
1400 - 1500
900 – 1000
1300 - 1400
Теплопроводность, Вт/м
град
1,32
3
ТКЛР
5,5
5,5
1,4584
1,45
Max T раб. , 0С
- длительно
- кратковременно
Показатель преломления n
при 20 0С
13

14. Физико-химические свойства прозрачного особо чистого кварцевого стекла КС-4В

Плотность (20 ОС) - 2200 кг/м3
Температура размягчения (Литтлтона) – 1750 ОС
Температура отжига - 1250 ОС
Температура длительной эксплуатации - 1000 ОС
ТКЛР (20-1000 ОС) - 5,5 10-7 град-1
Линейное удлинение изделия длиной 1 м (от 20 до 1000 ОС) 0,54 мм
Двулучепреломление (в изделиях) - не более 10 нм/см
Удельное электрическое сопротивление (при 350 ОС) - 7 107
ом см
Диэлектрическая постоянная (20-1200 ОС) - 3,86
Микротвёрдость - 9,4 ГПа
Модуль упругости - 70,6 ГПа
14

15.

Природные сырьевые материалы:
горный хрусталь,
дымчатый горный хрусталь (раухтопаз),
молочно-белый кварц
15

16. Методы получения кварцевого стекла

16

17. Электрическая индукционная вакууматмосферная тигельная печь для плавки кварцевого стекла и вытяжки труб

1 – индуктор; 2 – кварцевый
корпус; 3 – графитовый тигель;
4 – нижний диск; 5 – заглушка;
6 – изоляционное кольцо; 7 –
тепловая изоляция; 8 –
графитовая втулка; 9 –
вакуумная прокладка; 10 сильфон
Температура – 1750 оС
Вакуум (начало плавки) – 0,01-1 Па
Вакуум (конец плавки) – 10 2 – 10 3 Па
Время плавки – 3-5 час
Масса блока – 15-40 кг
В вакуумно-компрессионной печи по
окончании плавки – подача азота
17

18. Газовая печь для наплавления прозрачного кварцевого стекла

1 – смотровое окно; 2 – огнеупорный
муфель; 3 – свод; 4 – газовая горелка;
5 – бункер с питателем шихты; 6 –
выхлоп отходящих газов; 7 – механизм
подъема и опускания подложки; 8 –
механизм вращения подложки; 9 –
блок кварцевого стекла; 10 –
металлическая подложка; 11 – слой
кристобалита
Температура – 2100 – 2200 ОС
Вязкость расплава – 10 4 Па с
Время плавления частиц крупки
– доли секунды
18

19. Методы получения высокочистого кварцевого стекла для заготовок световодов

MCVD – Модифицированное химическое
парофазное осаждение
OVD – Внешнее парофазное
осаждение
Опорная трубка: кварцевое стекло
диаметр ‒ (30 ‒ 40) мм;
длина – 1000 мм
19

20. Изделия из кварцевого стекла

Трубы
Кюветы для
аналитических
приборов
Химико-лабораторная посуда
Пластина для записи
информации
Бактерицидные
20
лампы