 |
Технология изготовления прозрачного кварцевого стекла плазмохимическим и парофазный методами.
|
|
|
|
Классификация кварцевых стекол. Назначение и область применения.
Кв. стекло представляет собой однокомпонентное силикатное стекло и является продуктом охлаждения расплава кремнезёма до твёрдого состояния без кристаллизации. Кв. стекло может быть: непрозрачное, прозрачное техническое, прозрачное оптическое, особо чистое.
Прозрачное кв. стекло хар-тся высокой чистотой. Содержание осида кремния 99,98%. Для него хар-но высокое светопропускание в УФ и видимой части спектра. Непрозрачное содержит 99,5% оксида кремния. Оно непрозрачно, т.к. в нём растворены пузырьки воздуха.
Для производства кв. стекла используют горный хрусталь, жильный кварц, летучие соединения кремния (SiCl4). Кварцевый песок используют для получения непрозрачного кв. стекла. Из кв. стекла изготавливают блоки, трубы и трубки, тигли, изделия, использующиеся в химической и металлургической промышленности, а т.ж. др. изделия, использующиеся в приборостроении и т.д. Из кв. стекла изготавливают кварцевую керамику, которая используется в ракетостроении, ядерной энергетике и др. отраслях промышленности. Т.ж. изготавливают питатели.
Прозрачные кв. стекла делятся на 4 основных типа по светопропусканию:
КУ(1)-кв. стекло, прозрачное в УФ части; КВ(2)-кв. стекло прозрачное в видимой части, КВ-Р(3)-кв. стекло устойчивое к радиации; КИ(4)-прозрачное в ИК области, КПП-кв. стекло повышенной чистоты.
1. Получают в электрических печах с графитовым нагревателем. Степень чистоты определяется химической чистотой используемого сырья. Содержание С1- минимальное, поэтому отсутствует полоса поглощения.
2. Предполагают плавку сырья в пламени газокислородной горелки (водородной)
3.,4 Используют синтетическое сырьё, которое очень чистое. Оно имеет поглощение в УФ спектре.
|
|
|
| Тип стекла | Марка стекла | Способ производства | Содержание примесей С·104, мас.% | ||||
| Fe | Al | Na | OH- | Cl | |||
| КИ | Электротермическим | 0,7-5 | 50-180 | 4-7 | 3-4 | - | |
| КУ, КВ,КВ-Р | Газопламенный | 0,5-3 | 10-50 | 0,06-2 | - | ||
| КУ-1, КВ-Р | Парофазный | 0,1 | 0,05 | 0,04 | 50-500 | ||
| КПП | Плазмохимический | 0,1 | 0,05 | 0,04 | 2-10 | 50-500 |
Механические, термические, электрические, химические и др. свойства кварцевых стекол.
Св-ва кв. стекла можно разделить на 2 группы: 1. Те, которые определяются строением самого стекла (плотность, прочность, ТКЛР, показатель преломления, хим. стойкость, теплопроводность); 2. Те, которые сильно зависят от количества примесей в стекле, они определяются способом получения кв. стекла.
| Тип стекла | Марка стекла | Способ производства | Содержание примесей С·104, мас.% | ||||
| Fe | Al | Na | OH- | Cl | |||
| КИ | Электротермическим | 0,7-5 | 50-180 | 4-7 | 3-4 | - | |
| КУ, КВ,КВ-Р | Газопламенный | 0,5-3 | 10-50 | 0,06-2 | - | ||
| КУ-1, КВ-Р | Парофазный | 0,1 | 0,05 | 0,04 | 50-500 | ||
| КПП | Плазмохимический | 0,1 | 0,05 | 0,04 | 2-10 | 50-500 |
Плотность
На графике показано изменение удельного объёма от температуры.
рпрозр=2200кг/м3, рнерпрозр=2020-2080кг/м3.
Кв. стекло при повышении температуры снижает свой удельный объём, это значит, что плотность увеличивается и ТКЛР уменьшается. При изменении на 1ºС объём стекла по линии ОО/ (линия равновесного состояния). Т.ж. на графике показано, как будет меняться объём при разном охлаждении. db-температурный интервал стеклования. При охлаждении удельный объём меняется по линии a-b-c-d. При нагревании путь другой, через ε.
ТКЛР зависит от объёма материала: β=dv/dt; α=dl/dt. При нагревании кв. стекла от 20-1000ºС ТКЛР меняется в пределах 5-5,3-5,58·10-7
Термостойкость кв. стекла высокая. Оно выдерживает резкий перепад температур до 1000ºС в воде и 1300ºС на воздухе.
Прочность. При повышении температуры прочность повышается, это связано с устройством структурной сетки. При 20ºС прочность при сжатии 650Мпа, при изгибе 110Мпа, при растяжении 60Мпа. При дальнейшем повышении температуры прочность при растяжении повышается на 60%, при изгибе повышается на 50%.
|
|
|
Теплопроводность. Находится в пределах 1,32-1,81 В/м·К. Оптические постоянные кв. стекла: показатель преломления 1,4584, коэффициент дисперсии 67,8, средняя дисперсия 0,00677.
Кв. стекло устойчиво к кристаллизации до t=1500ºС. На кристаллизационную способность большое влияние оказывают примеси, особенно щелочных металлов. При t>1100ºС образуется кристаболит. Он образуется с уменьшением объёма примерно на 5-6%, это приводит к разрушению кв. стекла. При высоких температурах закристаллизовавшееся стекло нормально работает.
Электрические св-ва. Удельное объёмное сопротивление 1019-1021 Ом·см при 20ºС. При 500ºС – 107-108 Ом·см. Тангенс угла диэлектрических потерь 1·10-3. Пробивное напряжение 42 кВ/мм, при 600ºС - 5 кВ/мм.
Сырьевые материалы в производстве кварцевого стекла: природный кварц, горный хрусталь, жильный кварц, искусственные кристаллы кварца, синтетический диоксид кремния (СДК). Технологические процессы приготовления кварцевой крупки для плавления кварцевого стекла. Получение СДК.
Всё сырьё можно разделить на 2 вида: 1. Природное-различные разновидности кварца; 2. Искусственное-аморфный кремнезём, искусственный кварц и различные летучие соединения кремния (SiCl4, Si(C2H5O)4).
Горный хрусталь. Чистые прозрачные кристаллы кварца, он не содержит никаких газовых включений р=2655кг/м3, твёрдость 7. В производстве кв. стекла используют отходы горных хрусталей, которые образуются после отбора заготовок кварца для изготовления оптических деталей, ювелирных изделий, пъезопластин. При нагревании окрашенные разновидности кварца становятся прозрачными (до 600ºС). Для получения прозрачного оптического стекла используют горный хрусталь, содержание примесей в котором не должно превышать 0,06%. Он очень дорогой. Месторождения: Бразилия, зап.Украина и т.д.
Жильный кварц. Бывает гранулированный и молочно-белый. Он представляет собой жильную породу, главной породой которой является кварц. Гранулированный кварц-агрегат из прозрачных округлых различно ориентированных гранул кварца. Молочно-белый кварц – агрегат из непрозрачных зёрен кварца. Содержит большое количество газовых включений и трещин, которые имеют микроскопические размеры. В состав включений входит углекислый газ, вода, NaCl, KCl и т.д. Для оценки качества кварца используют контроль проб по светопропусканию. Для гранулированного кварца светопропускание = 75%, а для молочно-белого = 40%.
|
|
|
В производстве кв. стекла используется кварцевая крупка из природной разновидности кварца. Кварцевая крупка представляет собой фракционированный по размерам продукт природного кварца с размером зёрен от 0,09 до 0,4 мм. В производстве кварцевого стекла используют более узкие фракции от 0,09 до 0,14 мм.
Технологическая схема подготовки кварцевой крупки из горного хрусталя или исходных кристаллов кварца: сортировка→термодробление→измельчение→обезвоживание и сушка→рассев на фракции→магнитная сеппорация→химическое обогощение→промывка и обезвоживание→сушка→обогощение→упаковка→маркировка.
Отбираются природные кристаллы кварца. Далее нагрев до температуры 1700˚С, потом резко охлаждают (снижение механической прочности за счёт образования микротрещин). Затем проводится измельчение в дисковых кварцевых мельницах или на электро-разрядной установке. Метод электро-разрядного дробления основан на разрушении зёрен кварца действием ударной волны, которая возникает при электрическом разряде в воде. Обезвоживание осуществляется в фильтр-прессах, а сушка в каменных сушилах. Химическое обогащение выполняют с помощью растворов горячей HCl. При химическом обогащении растворяются различные минеральные и технологические примеси. Обогащение выполняется с помощью вакуум-заборника. Зёрна кварца которые визуально отличаются по цвету и по блеску удаляются.
Жильный кварц обрабатывают по следующей технологической схеме: дробление и измельчение→рассев на фракции→магнитная сеппарация→флотационное обогащение→промывка и обезвоживание→сушка→термообработка→контрольное обогащение→упаковка→маркировка.
|
|
|
Флотация – метод обогащения, который основан на разделении компонентов по различию их поверхностных свойств. Смачиваемость в воде в присутствии ПАВ. Термообработка проводится для того, что бы скрыть основные газовые включения, которые содержатся в кварце и повысить степень его чистоты (при t=1000˚С).
Искусственные кристаллы кварца. Их получают гидротермальным методом в автоклавах при t=400˚C и давлении 600-800атм.
Аморфный кремнезём (синтетический диоксид кремния). Получают гидролизом кремнийсодержащих соединений: из тетроэтоксисилана – обладает следующими хар-ками: р=0,93г/см3, tкип=168˚С, бесцветная прозрачная жидкость.
Далее при термической обработке на 1кг шихты выделяется 100г воды. А синтетический оксид кремния обладает такими св-вами: р=2000-2100 кг/м3, насыпной вес 500 кг/м3, размер частиц 100-600мкм.
Из SiCl4: SiCl4 + 4C2H5OH→Si(C2H5O)4 + 4HCl
Его характеристики: бесцветная токсичная жидкость, tкип= 57˚С, р=1,48 г/см3, легко гидролизуется. Оксид кремния получается сжиганием SiCl4 в пламени кислородной горелки.
Технология изготовления прозрачного кварцевого стекла плазмохимическим и парофазный методами.
Парофазный метод. В пламя водородно-кислородной горелки подаётся смесь газов. Этим методом можно получить легированные стёкла. SiCl4+O2; SiCl4+TiCl4. Недостатки: 1. Стёкла поглощают излучения в ИК области за счёт гидроксильных групп. При получении легированного стекла в установку попадает смесь газов.
Плазмо-химический метод. Наплавление кварцевого стекла осуществляется в высокотемпературной плазме. Для получения стекла используют SiCl4+O2.
1-корпус печи(водоохлаждамый),2-индуктор,3-футеровка,4-кварцевая трубка,5-подложка,6-наплавляемое кварцевое стекло,7-графитовая трубка.
Внутрь печи с постоянной скоростью подают O2. В электрическом поле высокой частоты происходит ионизация и образуется плазма с t=10000˚С. В эту плазму подают смесь газов, в результате чего образуется SiO2, которая осаждается на подложки, формируя блок кварцевого стекла. Этим методом получают стёкла, прозрачные во всех областях.
|
|
|
