Six procédés pour le verre de quartz de haute pureté

Le verre de quartz présente une grande pureté, une transmittance spectrale élevée, un faible coefficient de dilatation thermique et une excellente résistance aux chocs thermiques, à la corrosion et aux ultraviolets profonds. Il est largement utilisé dans les secteurs de la fabrication industrielle haut de gamme tels que l’optique, l’aérospatiale et les semi-conducteurs.

Le verre de quartz peut être classé selon son procédé de préparation. Il existe deux principaux types de matières premières pour sa préparation. Le premier type est le sable de quartz de haute pureté, utilisé pour la fusion électrique et l’affinage au gaz afin de préparer du verre de quartz fondu à des températures supérieures à 1800 °C ; le second type est constitué de composés contenant du silicium, utilisés pour préparer du verre de quartz synthétique par réactions chimiques.

Méthode de fusion électrique

La méthode de fusion électrique consiste à faire fondre la poudre de quartz dans un creuset par chauffage électrique, puis à former du verre de quartz par vitrification et refroidissement rapide. Les principales méthodes de chauffage sont la résistance, l’arc électrique et l’induction à moyenne fréquence.

Méthode d’affinage au gaz

Sur le plan industriel, la méthode d’affinage au gaz est légèrement plus avancée que la méthode de fusion électrique. Le quartz naturel est fondu à l’aide d’une flamme hydrogène-oxygène, qui l’accumule progressivement à la surface de la cible en verre de quartz. Le verre de quartz fondu produit par raffinage au gaz est principalement utilisé pour les sources lumineuses électriques, l’industrie des semi-conducteurs, les lampes sphériques au xénon, etc. À l’origine, les tubes et creusets en verre de quartz transparent de gros calibre étaient directement fondus avec du sable de quartz de haute pureté sur un équipement spécial utilisant une flamme hydrogène-oxygène. Aujourd’hui, le raffinage au gaz est couramment utilisé pour préparer des lingots de quartz, qui sont ensuite traités à froid ou à chaud pour fabriquer les produits en verre de quartz requis.

Méthode CVD

Le principe de la méthode CVD consiste à chauffer du SiCl4 liquide volatil pour le transformer en gaz, puis à laisser le SiCl4 gazeux pénétrer dans la flamme hydrogène-oxygène formée par la combustion d’hydrogène et d’oxygène sous l’action d’un gaz porteur (O2). Ce dernier réagit avec la vapeur d’eau à haute température pour former des particules amorphes, se dépose sur un substrat de dépôt rotatif, puis fond à haute température pour former du verre de quartz.

Méthode PCVD

Le procédé PCVD a été proposé pour la première fois par Corning dans les années 1960. Il utilise le plasma pour remplacer la flamme hydrogène-oxygène comme source de chaleur pour la préparation du verre de quartz. La température de la flamme plasma utilisée dans le procédé PCVD est bien supérieure à celle des flammes ordinaires. Sa température à cœur peut atteindre 15 000 K, avec une température moyenne comprise entre 4 000 et 5 000 K. Le gaz de travail peut être sélectionné en fonction des exigences spécifiques du procédé.

Méthode CVD en deux étapes

La méthode CVD traditionnelle est également appelée méthode en une étape ou méthode directe. La vapeur d’eau étant impliquée dans la réaction, la teneur en hydroxyles du verre de quartz préparé par la méthode CVD en une étape est généralement élevée et difficile à contrôler. Afin de pallier ce défaut, les ingénieurs ont amélioré la méthode CVD en une étape et développé la méthode CVD en deux étapes, également appelée méthode de synthèse indirecte.

Modification thermique

La modification thermique consiste d’abord à ramollir le matériau de base en verre de quartz par chauffage, puis à obtenir le produit souhaité par des méthodes telles que l’enfonçage et l’étirage. Dans le four de modification thermique, le corps du four est chauffé par induction électromagnétique. Le courant alternatif traversant la bobine d’induction génère un champ électromagnétique alternatif dans l’espace, lequel agit sur l’élément chauffant pour générer du courant et de la chaleur. À mesure que la température augmente, le matériau de base en verre de quartz se ramollit, ce qui permet de former une tige/un tube en verre de quartz par traction. En ajustant la température et la vitesse d’étirage du four, des tiges/tubes de verre de quartz de différents diamètres peuvent être étirés. La disposition des bobines et la structure du four à induction électromagnétique ont une influence majeure sur le champ thermique du four. En production, ce champ thermique doit être strictement contrôlé pour garantir la qualité des produits en verre de quartz.