Sáu quy trình sản xuất thủy tinh thạch anh có độ tinh khiết cao

Thủy tinh thạch anh có độ tinh khiết cao, độ truyền quang phổ cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp và khả năng chống sốc nhiệt, ăn mòn và bức xạ cực tím sâu tuyệt vời. Nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp cao cấp như quang học, hàng không vũ trụ và chất bán dẫn.

Thủy tinh thạch anh có thể được phân loại theo quy trình chế tạo. Có hai loại nguyên liệu chính để chế tạo thủy tinh thạch anh. Loại thứ nhất là cát thạch anh có độ tinh khiết cao, được sử dụng để nấu chảy điện và tinh chế khí để chế tạo thủy tinh thạch anh nóng chảy ở nhiệt độ cao vượt quá 1800°C; loại thứ hai là hợp chất chứa silicon, được sử dụng để chế tạo thủy tinh thạch anh tổng hợp thông qua các phản ứng hóa học.

Phương pháp nấu chảy điện

Phương pháp nấu chảy điện là làm tan chảy nguyên liệu thạch anh dạng bột trong nồi nấu bằng cách nung điện, sau đó tạo thành thủy tinh thạch anh thông qua quá trình thủy tinh hóa làm nguội nhanh. Các phương pháp gia nhiệt chính bao gồm điện trở, hồ quang và cảm ứng tần số trung bình.

Phương pháp tinh chế khí

Trong công nghiệp, phương pháp tinh chế khí ra đời muộn hơn một chút so với phương pháp nấu chảy điện. Nó sử dụng ngọn lửa hydro-oxy để làm tan chảy thạch anh tự nhiên, sau đó dần dần tích tụ trên bề mặt mục tiêu thủy tinh thạch anh. Thủy tinh thạch anh nóng chảy được sản xuất bằng phương pháp tinh chế khí chủ yếu được sử dụng cho các nguồn sáng điện, ngành công nghiệp bán dẫn, đèn xenon hình cầu, v.v. Vào những ngày đầu, các ống thủy tinh thạch anh trong suốt cỡ lớn và nồi nấu chảy được nấu chảy trực tiếp bằng cát thạch anh có độ tinh khiết cao trên thiết bị đặc biệt sử dụng ngọn lửa hydro-oxy. Hiện nay, phương pháp tinh chế khí thường được sử dụng để chế tạo thỏi thạch anh, sau đó các thỏi thạch anh được xử lý lạnh hoặc nóng để tạo ra các sản phẩm thủy tinh thạch anh cần thiết.

Phương pháp CVD

Nguyên lý của phương pháp CVD là đun nóng chất lỏng dễ bay hơi SiCl4 để biến nó thành khí, sau đó cho SiCl4 dạng khí đi vào ngọn lửa hydro-oxy được hình thành do quá trình đốt cháy hydro và oxy dưới sự dẫn động của khí mang (O2), phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao để tạo thành các hạt vô định hình, lắng đọng trên chất nền lắng đọng quay, sau đó nóng chảy ở nhiệt độ cao để tạo thành thủy tinh thạch anh.

Phương pháp PCVD

Quy trình PCVD lần đầu tiên được Corning đề xuất vào những năm 1960. Quy trình này sử dụng plasma để thay thế ngọn lửa hydro-oxy làm nguồn nhiệt để chế tạo thủy tinh thạch anh. Nhiệt độ của ngọn lửa plasma được sử dụng trong quy trình PCVD cao hơn nhiều so với ngọn lửa thông thường. Nhiệt độ lõi của nó có thể lên tới 15000K và nhiệt độ trung bình là 4000~5000K. Khí làm việc có thể được lựa chọn phù hợp theo yêu cầu quy trình cụ thể.

Phương pháp CVD hai bước

Phương pháp CVD truyền thống còn được gọi là phương pháp một bước hoặc phương pháp trực tiếp. Vì hơi nước tham gia vào phản ứng nên hàm lượng hydroxyl trong thủy tinh thạch anh được chế tạo bằng phương pháp CVD một bước thường cao và khó kiểm soát. Để khắc phục nhược điểm này, các kỹ sư đã cải tiến phương pháp CVD một bước và phát triển phương pháp CVD hai bước, còn được gọi là phương pháp tổng hợp gián tiếp.

Biến tính nhiệt

Phương pháp biến tính nhiệt đầu tiên làm mềm vật liệu nền thủy tinh thạch anh bằng cách nung nóng, sau đó thu được sản phẩm mong muốn thông qua các phương pháp như chìm máng và kéo. Trong lò biến tính nhiệt, thân lò được nung nóng bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ. Dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm ứng trong lò tạo ra trường điện từ xoay chiều trong không gian và trường điện từ tác động lên bộ phận gia nhiệt để tạo ra dòng điện và nhiệt. Khi nhiệt độ tăng, vật liệu nền thủy tinh thạch anh mềm ra và tại thời điểm này, có thể tạo thành thanh/ống thủy tinh thạch anh bằng cách kéo xuống bằng máy kéo. Bằng cách điều chỉnh nhiệt độ trong lò và tốc độ kéo, có thể kéo ra các thanh/ống thủy tinh thạch anh có đường kính khác nhau. Bố trí cuộn dây và cấu trúc lò của lò gia nhiệt cảm ứng điện từ có ảnh hưởng lớn đến trường nhiệt độ trong lò. Trong sản xuất thực tế, trường nhiệt độ trong lò cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm thủy tinh thạch anh.