1 ТЕХНОЛОГИЯ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА РХТУ им. Д.И. Менделеева Кафедра химической технологии стекла и ситаллов
2 Кварцевое стекло Содержание SiO 2 – (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
3 Характеристика тетраэдра SiO 4 Длина связи Si – O – 0,162 нм Расстояние О – О – 0,265 нм Угол O – Si – О – 109 град Структура кварцевого стекла Кварцевое стекло - неорганический полимер каркасного типа из тетраэдров SiO 4 c ионно-ковалентными связями.
4 Тетраэдры SiO 4 о бразуют 4-, 5-, 6-членные кольцевые группировки. Угол Si – O – Si изменяется в пределах 120 – 180 град; среднее значение = 144 град. Структура кварцевого стекла Кварц Кварцевое стекло
5 Примесные дефекты структуры Изоморфное замещение: Si 4+ → Ti 4+ ; Si 4+ → Ge 4+ Неизоморфное внедрение с разрывом связи: Si – O – Si → Si – O – R+ Гидроксильные группы Собственные дефекты сетки Кислородные вакансии – O – Si – Si – O – Свободные радикалы [SiO 3 ] – Реликты кварца и кристобалита Соединения Si низшей степени окисления
6 Ведущие физико-химические свойства кварцевого стекла Огнеупорность, рабочая температура до 1400 – 1500 О С (кратковременный нагрев); до 1000 – 1100 О С (длительный нагрев) Термостойкость : ТКЛР – (5,2 – 5,5) 10 -7 1/град Электросопротивление : ρ = 10 14 – 10 18 Ом м (20 О С); Пробивное напряжение – более 40 кВ/мм (20 О С) Диэлектрические потери – tg δ = 1 10 -4 Химическая стойкость : 1 гидролитический класс
7 Кварцевое стекло Непрозрачное SiO 2 – более 96, 5 % Газовые пузыри (диаметр 0,03 – 0,3 мм) Примеси Al 2 O 3, Fe 2 O 3, CaO, MgO Прозрачное SiO 2 – 9 9,99% Примеси – 0,01% и менее Спеченое кварцевое стекло (кварцевая керамика, керсил)
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.
9 Спектры пропускания стекол разных типов
10 Спектры пропускания кварцевого оптического стекла разных марок КУ-1 КВ КИ КУВИ
11 Спектральные кривые пропускания прозрачных кварцевых стекол 1 – КВ; 2 – КУ; 3 - КУВИ толщина образцов 10 мм
12 Зарубежные аналоги: Марка КУ-1 • Spectrasil (Англия) • Suprasil (Германия) • Corning 7940; Dunnasil (США) • T etrasil (Франция) • 4040 (Япония) Марка КВ Vitreosil (Англия)
13 Основные свойства прозрачного и непрозрачного кварцевого стекла Свойство Прозрачное КС Непрозрачное КС Плотность, кг/м 3 2200 2020 - 2080 Модуль Юнга Е, ГПа 74,5 45 Предел прочности на сжатие, МПа 600 300 Max T раб., 0 С - длительно - кратковременно 1000 – 1100 1400 - 1500 900 – 1000 1300 - 1400 Теплопроводность, Вт/м град 1,32 3 ТКЛР 5,5 5,5 Показатель преломления n при 20 0 С 1,4584 1,45
14 Физико-химические свойства прозрачного особо чистого кварцевого стекла КС-4В Плотность (20 О С) - 2200 кг/м 3 Температура размягчения (Литтлтона) – 1750 О С Температура отжига - 1250 О С Температура длительной эксплуатации - 1000 О С ТКЛР (20-1000 О С) - 5,5 10 -7 град -1 Линейное удлинение изделия длиной 1 м (от 20 до 1000 О С) - 0,54 мм Двулучепреломление (в изделиях) - не более 10 нм/см Удельное электрическое сопротивление (при 350 О С) - 7 10 7 ом см Диэлектрическая постоянная (20-1200 О С) - 3,86 Микротвёрдость - 9,4 ГПа Модуль упругости - 70,6 ГПа
15 Природные сырьевые материалы: горный хрусталь, дымчатый горный хрусталь (раухтопаз), молочно-белый кварц
16 Методы получения кварцевого стекла
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 о С Вакуум (начало плавки) – 0,01-1 Па Вакуум (конец плавки) – 10 2 – 10 3 Па В вакуумно-компрессионной печи по окончании плавки – подача азота Время плавки – 3-5 час Масса блока – 15-40 кг
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 О С Вязкость расплава – 10 4 Па с Время плавления частиц крупки – доли секунды
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
20 Изделия из кварцевого стекла Химико-лабораторная посуда Кюветы для аналитических приборов Трубы Пластина для записи информации Бактерицидные лампы
