ستة مسارات معالجة للزجاج الكوارتز عالي النقاء

يتميز زجاج الكوارتز بنقاء عالٍ، ونفاذية طيفية عالية، ومعامل تمدد حراري منخفض، ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية والتآكل والأشعة فوق البنفسجية العميقة. ويُستخدم على نطاق واسع في مجالات التصنيع الصناعي المتطورة، مثل البصريات والفضاء وأشباه الموصلات.

يمكن تصنيف زجاج الكوارتز وفقًا لعملية التحضير. هناك نوعان رئيسيان من المواد الخام لتحضير زجاج الكوارتز. النوع الأول هو رمل الكوارتز عالي النقاء، ويُستخدم في الصهر الكهربائي والتكرير الغازي لتحضير زجاج الكوارتز المنصهر عند درجات حرارة عالية تتجاوز 1800 درجة مئوية؛ والنوع الثاني هو المركبات المحتوية على السيليكون، والتي تُستخدم لتحضير زجاج الكوارتز الاصطناعي من خلال التفاعلات الكيميائية.

طريقة الصهر الكهربائي

تتمثل طريقة الصهر الكهربائي في صهر مادة الكوارتز الخام المسحوقة في بوتقة بالتسخين الكهربائي، ثم تشكيل زجاج الكوارتز من خلال عملية تزجيج بالتبريد السريع. تشمل طرق التسخين الرئيسية المقاومة، والقوس الكهربائي، والحث بالتردد المتوسط.

طريقة تكرير الغاز

صناعيًا، تُعد طريقة تكرير الغاز أحدث قليلاً من طريقة الصهر الكهربائي. تستخدم هذه الطريقة لهب الهيدروجين والأكسجين لصهر الكوارتز الطبيعي، ثم تُركّز تدريجيًا على سطح زجاج الكوارتز. يُستخدم زجاج الكوارتز المُنصهر الناتج عن طريقة تكرير الغاز بشكل رئيسي في مصادر الإضاءة الكهربائية، وصناعة أشباه الموصلات، ومصابيح الزينون الكروية، وغيرها. في البداية، كانت أنابيب وبوتقات زجاج الكوارتز الشفافة كبيرة الحجم تُصهر مباشرةً مع رمل الكوارتز عالي النقاء باستخدام معدات خاصة باستخدام لهب الهيدروجين والأكسجين. أما الآن، فتُستخدم طريقة تكرير الغاز بشكل شائع لتحضير سبائك الكوارتز، ثم تُعالج هذه السبائك على البارد أو الساخن لإنتاج منتجات زجاج الكوارتز المطلوبة.

طريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)

تعتمد طريقة الترسيب الكيميائي للبخار على تسخين سائل SiCl4 المتطاير لتحويله إلى غاز، ثم إدخاله في لهب الهيدروجين والأكسجين الناتج عن احتراق الهيدروجين والأكسجين تحت تأثير غاز ناقل (O2)، ليتفاعل مع بخار الماء عند درجة حرارة عالية لتكوين جزيئات غير متبلورة، ثم يترسب على ركيزة الترسيب الدوارة، ثم ينصهر عند درجة حرارة عالية لتكوين زجاج الكوارتز.

طريقة PCVD

اقترحت شركة كورنينج طريقة PCVD لأول مرة في ستينيات القرن الماضي. تستخدم هذه الطريقة البلازما بدلاً من لهب الهيدروجين والأكسجين كمصدر حرارة لتحضير زجاج الكوارتز. درجة حرارة لهب البلازما المستخدم في عملية PCVD أعلى بكثير من درجة حرارة اللهب العادي. يمكن أن تصل درجة حرارة قلبه إلى 15000 كلفن، ويتراوح متوسط ​​درجة الحرارة بين 4000 و5000 كلفن. يمكن اختيار غاز التشغيل بشكل مناسب وفقًا لمتطلبات العملية المحددة.

طريقة الترسيب الكيميائي للبخار البخاري ذات الخطوتين

تُسمى طريقة الترسيب الكيميائي للبخار البخاري التقليدية أيضًا بالطريقة أحادية الخطوة أو الطريقة المباشرة. نظرًا لمشاركة بخار الماء في التفاعل، فإن محتوى الهيدروكسيل في زجاج الكوارتز المُحضر بهذه الطريقة يكون مرتفعًا ويصعب التحكم فيه. ولتجاوز هذا العيب، حسّن المهندسون طريقة الترسيب الكيميائي للبخار البخاري ذات الخطوة الواحدة وطوروا طريقة الترسيب الكيميائي للبخار البخاري ذات الخطوتين، والتي تُسمى أيضًا طريقة التخليق غير المباشر.

التعديل الحراري

تعمل طريقة التعديل الحراري أولًا على تليين مادة أساس زجاج الكوارتز بتسخينها، ثم الحصول على المنتج المطلوب من خلال طرق مثل الغمر والسحب. في فرن التعديل الحراري، يُسخّن جسم الفرن بالتسخين بالحث الكهرومغناطيسي. يُولّد التيار المتردد المار عبر ملف الحث في الفرن مجالًا كهرومغناطيسيًا مترددًا في الفراغ، ويؤثر هذا المجال على عنصر التسخين لتوليد تيار وحرارة. مع ارتفاع درجة الحرارة، تلين مادة أساس زجاج الكوارتز، وفي هذه الحالة، يمكن تشكيل قضيب/أنبوب من زجاج الكوارتز عن طريق السحب للأسفل باستخدام جرار. بضبط درجة حرارة الفرن وسرعة السحب، يمكن إنتاج قضبان/أنابيب من زجاج الكوارتز بأقطار مختلفة. يؤثر ترتيب الملفات وهيكل فرن التسخين بالحث الكهرومغناطيسي بشكل كبير على مجال درجة الحرارة داخل الفرن. في الإنتاج الفعلي، يجب التحكم بدقة في مجال درجة الحرارة داخل الفرن لضمان جودة منتجات زجاج الكوارتز.