تُصنع بوتقات الكوارتز باستخدام السيليكا عالية النقاء، مما يمنحها مقاومة عالية للحرارة، ونسبة شوائب منخفضة، وثباتًا حراريًا ممتازًا. وتُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة، تشمل سحب بلورات السيليكون أحادية البلورة المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية، وتصنيع رقائق أشباه الموصلات، والتفاعلات الكيميائية في المختبرات. وتؤثر مقاومتها للأحماض والقلويات بشكل مباشر على عمرها الافتراضي وسلامتها. ففي مجال الخلايا الكهروضوئية، على سبيل المثال، إذا تآكلت البوتقة بفعل الأحماض أو القلويات، فقد تتسرب إليها الشوائب، مما قد يؤدي إلى انخفاض جودة رقائق السيليكون. ولذلك، يُعدّ الاختبار العلمي لمقاومة بوتقات الكوارتز للأحماض والقلويات جانبًا أساسيًا من جوانب تطوير المنتجات ومراقبة الجودة.
- الاستعدادات قبل الاختبار
- إعداد عينة
يتم اختيار بوتقات كوارتز نموذجية، ثم تُقطع إلى عينات صغيرة. بعد ذلك، تُصقل حواف هذه العينات لتجنب تركيز الإجهاد. ويمكن إزالة بقع الزيت باستخدام التنظيف بالموجات فوق الصوتية مع الإيثانول اللامائي.
- الكواشف
حمض الهيدروكلوريك المركز، حمض الكبريتيك، حمض النيتريك، هيدروكسيد الصوديوم، ماء منزوع الأيونات.
- أداة
ميزان إلكتروني، حمام مائي ذو درجة حرارة ثابتة، مجهر إلكتروني ماسح (SEM)، مطياف انبعاث ضوئي للبلازما المقترنة حثيًا (ICP-OES)، مطياف الإلكترون الضوئي للأشعة السينية (XPS)، مقياس الخشونة.
- اختبار مقاومة الأحماض
يُظهر ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) استقرارًا ممتازًا في معظم الأحماض، باستثناء حمض الهيدروفلوريك وحمض الفوسفوريك الساخن المركز. صُممت طريقة الاختبار لتحديد علامات التآكل السطحي وأي تغييرات في جودة بوتقات الكوارتز.
- طريقة الغمر الثابت
زن الكتلة الأولية للعينة، ثم اغمرها بالكامل في محلول حمض الكبريتيك (H₂SO₄) بتركيز 20%. بعد ذلك، انقع العينة في حمام مائي بدرجة حرارة ثابتة 60 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. بعد إخراجها، اشطفها بالماء منزوع الأيونات، وجففها عند درجة حرارة 120 درجة مئوية، ثم زنها. قارن البيانات الناتجة بالكتلة الأولية.
- توصيف مساعد
ينبغي فحص وجود الثقوب أو الشقوق أو حفر التآكل على السطح باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. ثم يُحلل التركيب العنصري للسطح باستخدام مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية، وتُقارن التغيرات في قيمة Ra السطحية قبل وبعد الغمر.
- اختبار مقاومة القلويات
- طريقة الغمر الثابت
قم بوزن الكتلة الأولية للعينة، ثم اغمرها بالكامل في محلول هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 10%، وانقعها في حمام مائي بدرجة حرارة ثابتة 80 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. أخرجها، واشطفها وجففها، ثم قم بوزنها وقارنها بالكتلة الأولية.
- تحليل الحل
ثم يُقاس تركيز أيونات السيليكون في المحلول بعد الغمر باستخدام مطياف انبعاث البلازما المقترن بالحث (ICP-OES). ومن المعروف أن زيادة التركيز تعني زيادة شدة التآكل.
- الخصائص المورفولوجية والميكانيكية
عند الملاحظة بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح، إذا ظهرت رواسب سيليكات بيضاء أو تقشر على سطح الكوارتز، فهذا يشير إلى تآكل واضح.
- العوامل الرئيسية المؤثرة على نتائج الاختبار
- نقاء الكوارتز
يحتوي الكوارتز عالي النقاء (أكثر من 99.99%) على شوائب أقل، ومقاومته للتآكل تفوق بكثير مقاومة الكوارتز العادي. ويمكن للشوائب أن تسرّع تفاعلات الأحماض والقواعد.
- شرط الاختبار
مع كل زيادة قدرها 10 درجات مئوية في درجة الحرارة، يزداد معدل التآكل القلوي بمقدار ضعفين إلى ثلاثة أضعاف. وكلما زاد التركيز الأولي للمادة المسببة للتآكل في زجاج الكوارتز، زادت حدة التآكل.
- الدول السطحية
تُظهر الأسطح المصقولة مقاومة أعلى للأحماض والقلويات مقارنةً بالأسطح الخشنة. تتميز الأسطح الخشنة بمساحة تلامس كبيرة، مما يجعلها عرضةً للتآكل الموضعي.
يُعد اختبار مقاومة بوتقات الكوارتز للأحماض والقلويات إجراءً معقدًا يتضمن الغمر الساكن والتحليل الكيميائي والتحليل المورفولوجي. ويجب تقييم أداء البوتقات بشكل شامل من خلال مؤشرات متعددة. ويُعد ضمان توحيد ظروف الاختبار (مثل التركيز ودرجة الحرارة والمدة) أمرًا بالغ الأهمية لضمان الحصول على نتائج موثوقة وقابلة للتكرار. فعلى سبيل المثال، بالنسبة لبوتقات الكوارتز عالية النقاوة المستخدمة في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية، يجب ألا يتجاوز معدل فقدان الكتلة بعد نقعها في حمض بنسبة 20% لمدة 24 ساعة 0.1%، كما يجب ألا يتجاوز تركيز أيونات السيليكون (Si⁴⁺) بعد نقعها في قلوي بنسبة 10% لمدة 24 ساعة 10 ملغم/لتر. وبالإضافة إلى توجيه عملية اختيار المنتج، تُوفر هذه البيانات أساسًا لتحسين إنتاج بوتقات الكوارتز، بما في ذلك تعزيز النقاوة ومعالجة السطح.
