Tillverkningsprocessen för kvartsglas avgör direkt dess prestandaklass och användningsområde. Tillverkningen av kvartsglas kan delas in i två huvudprocesser: smältprocessen, som använder naturlig kvarts som råmaterial, och syntesprocessen, som använder kiselhaltiga föreningar. Den förra inkluderar traditionella metoder som elektrisk smältning, gasraffinering och plasmasmältning, medan den senare omfattar avancerade tekniker som kemisk ångdeponering och plasmakemisk ångdeponering.
Valet av process måste ta hänsyn till ett antal faktorer, inklusive produktens renhetskrav, optiska prestandaindikatorer, produktionskostnader och terminala tillämpningsscenarier. I enlighet med internationell standardklassificering delas kvartsglasprodukter in i två huvudkategorier baserade på transparens: transparent och ogenomskinligt. När det gäller renhet finns det tre klassificeringar: högrent kvartsglas, ordinärt kvartsglas och dopat kvartsglas. Högrent kvartsglas av halvledarkvalitet kännetecknas av att det krävs en total föroreningshalt som inte överstiger 20 µg. Sådana rigorösa renhetsstandarder gör råmaterialbearbetning och processkontroll till centrala delar i tillverkningsprocessen.
- Naturligt smältprocesssystem för råmaterial
- Elektrisk smältteknik
Den elektriska smältmetoden är den mest populära processen för tillverkning av kvartsglas nuförtiden. Kärntekniken innebär att kvartsråmaterialet upphettas i degeln till över 1800 °C med hjälp av elektrodvärme, vilket uppnår smältning. Standardbearbetningsstegen inkluderar krossning och siktning av råmaterialet, våtmalning för borttagning av föroreningar, högtemperatursmältning och snabb kylning.
Denna metod erbjuder flera fördelar: en relativt låg initial kapitalkostnad, hög produktivitet och lämplighet för storskalig produktion av kvartsglas. Den största utmaningen med den elektriska smältmetoden ligger i att kontrollera råmaterialets renhet. På grund av att metallföroreningar är svåra att förånga och avlägsna vid höga temperaturer är halten av föroreningar som Al och Fe i de slutliga kvartsprodukterna vanligtvis hög.
- Gasraffineringsmetod och plasmasmältningsprocess
Gasraffineringsmetoden använder en väte-syre-låga som värmekälla, där kvartsand gradvis smälter lager för lager genom lågan för avsättning och formning. Denna process är mycket effektiv för att minska metallföroreningar; den introducerar dock en relativt hög hydroxylhalt. Dess breda användningsområde inkluderar halvledardiffusionsrör och optiska fiberförformer.
Plasmasmältningsmetoden använder högfrekvent plasma för att generera ultrahöga temperaturer på över 3000 °C. Detta kan effektivt bryta ner föroreningsföreningar i råmaterial och kontrollera hydroxylhalten genom en vakuummiljö. Investeringen som krävs för plasmautrustning är dock betydande, och för närvarande är dess tillämpning begränsad till avancerade områden som flyg- och rymdteknik.
- Framsteg i kemisk ångavsättning
Kemisk ångdeponering (CVD) är kärnprocessen för att framställa kvartsglas med ultrahög renhet. Den använder SiCl4 eller SiH4 som råmaterial och genomgår reaktioner i en väte-syre-flamma. Genom att använda flerbrännardeponeringsteknik kan kvartsglasämnen med stor diameter och utmärkt optisk enhetlighet produceras. Denna typ av material har en hög laserskadetröskel och används ofta i laserkärnfusionsprojekt, såsom den nationella antändningsanläggningen.
Kvartsglastekniken utvecklas inom tre viktiga områden i framtiden: ultrastor storlek, ultrahög renhet och funktionell integration. Implementeringen av ny teknik, inklusive processoptimering assisterad av artificiell intelligens och digital kvalitetskontroll, har lett till betydande framsteg inom området. Det förväntas att kvartsglasprodukters prestanda kommer att förbättras ytterligare.
