Trois méthodes de préparation du verre de quartz de haute pureté

Verre de silice naturel

La première catégorie concerne la fonte naturelle quartz cristaux ou silice pour produire du verre de quartz naturel, qui peut être subdivisé en méthodes telles que la fusion électrique, la combustion de gaz et la fusion au plasma en fonction des sources de chaleur et des processus.

Dans la méthode de fusion électrique, des matières premières en poudre de quartz dans un creuset sont fondues par chauffage électrique (y compris le chauffage par résistance et le chauffage par induction électromagnétique), suivi d'un processus de vitrification par refroidissement rapide pour former du verre de quartz14. Pendant la fusion, la structure cristalline du quartz subit des transitions de phase du β-quartz à l'α-quartz, puis à l'α-cristobalite (accompagnées de la formation d'une phase amorphe), jusqu'à atteindre environ 1723 °C, où la masse fondue de quartz commence à se former.

Sable de quartz de haute pureté

La fusion de la poudre de quartz s'effectue généralement sous vide poussé (0.1 à 10 Pa) afin d'éliminer les gaz libérés et de réduire la teneur en bulles du verre de quartz. La qualité du verre de quartz préparé par fusion électrique dépend principalement de la pureté des matières premières. Les impuretés métalliques présentes dans les matières premières à base de quartz sont généralement difficiles à éliminer, ce qui rend leur teneur en impuretés métalliques dans le verre de quartz fondu généralement élevée et difficile à contrôler. L'humidité de la poudre de quartz peut être efficacement éliminée par séchage, ce qui permet de préparer du verre de quartz à faible teneur en hydroxyles par fusion électrique.

Verre de quartz synthétique

La deuxième catégorie implique la synthèse verre de quartz Par des réactions chimiques utilisant des composés contenant du silicium (par exemple, halosilanes, hydrosilanes et organosiliciums) comme matières premières, appelés « verre de quartz synthétique ». Sur la base des principes de réaction, cette catégorie est subdivisée en trois méthodes.

1) ‌Dépôt chimique en phase vapeur par plasma (PCVD)‌ : Les composés contenant du silicium subissent une oxydation thermique dans un environnement anhydre pour générer du SiO₂.

2) ‌Dépôt par hydrolyse de flamme (FHD)‌ : Les composés contenant du silicium subissent une hydrolyse (souvent accompagnée d'une oxydation) dans une flamme hydrogène-oxygène.

3)‌Méthode Sol-Gel‌ : Les composés contenant du silicium subissent une hydrolyse en milieu aqueux.

Parmi celles-ci, la ‌FHD‌ est la technologie industrielle la plus largement adoptée et la plus mature, englobant la ‌synthèse directe‌ et la ‌synthèse indirecte.‌

● ‌Synthèse directe‌ : L'hydrolyse à haute température produit des particules de SiO₂ fondues, qui sont directement déposées sur un substrat et refroidies pour former du verre de quartz.

● Synthèse indirecte : L'hydrolyse à basse température génère des particules de SiO₂ semblables à de la suie, formant un corps poreux de SiO₂. Ce corps poreux subit une déshydratation, un dopage, un frittage et un refroidissement pour produire du verre de quartz.

Dans les applications industrielles, la méthode de synthèse directe couramment utilisée est le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Les méthodes de synthèse indirecte incluent des approches modifiées basées sur le CVD, telles que le CVD en deux étapes, le dépôt axial en phase vapeur (VAD) et le dépôt en phase vapeur externe (OVD).

Ces méthodes diffèrent par leurs procédés de préparation et leurs produits finis. Par exemple, le CVD et le CVD en deux étapes sont principalement utilisés pour produire des lingots de verre de quartz de grande taille, tandis que le VAD et l'OVD sont principalement employés pour la fabrication de préformes de fibres optiques en verre de quartz. Malgré ces différences, toutes ces techniques reposent sur les principes du dépôt par hydrolyse à la flamme (FHD).

Lingot de verre de quartz

Préforme de fibre optique

Méthode de modification thermique

Dans les applications industrielles pratiques, les exigences de forme des produits en verre de quartz sont cruciales. Par exemple, les tubes et les tiges de verre de quartz de haute pureté sont largement utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. Par conséquent, le reformage des produits (reformage) revêt une importance capitale dans la fabrication du verre de quartz. Actuellement, le reformage thermique est la principale méthode industrielle de modification. verre de quartz produits. Il s'agit de chauffer le verre de quartz jusqu'à son point de ramollissement, puis de modifier sa forme en fonction des besoins pratiques.

Tube en verre de quartz synthétique

À mesure que la température augmente, la verre de quartz La préforme se ramollit, ce qui permet son étirage vers le bas par un dispositif de traction pour former des tiges ou des tubes de verre de quartz. En ajustant la température du four et la vitesse d'étirage, il est possible de produire des tiges ou des tubes de différents diamètres. La disposition des bobines et la structure du four de chauffage par induction électromagnétique influencent considérablement la répartition de la température à l'intérieur du four. En pratique, un contrôle strict de cette répartition est essentiel pour garantir la qualité des produits en verre de quartz.

Tiges et tubes en verre de quartz

(Pièces sur la photo : 1-tige mère en verre de quartz ; 2-élément chauffant ; 3-tige en verre de quartz ; 4-tube mère en verre de quartz ; 5-bobine d'induction ; 6-tube en verre de quartz ; 7-tracteur)