El vidre de quars consisteix únicament en diòxid de silici, i el model estructural àmpliament acceptat actualment és el model de xarxa aleatòria contínua (CRN). En aquest model, els àtoms de Si i O formen estructures tetraèdriques tridimensionals de Si-O gairebé perfectes. A la figura es mostra un diagrama esquemàtic que il·lustra la microestructura plana del vidre de quars d'alta-puresa i la seva disposició espacial. Els enllaços químics Si-O tenen una gran energia d'enllaç i una longitud d'enllaç curta, donant lloc a una estructura espacial molt compacta. A causa de la integritat i l'estanquitat de la seva estructura de xarxa microscòpica, el vidre de quars d'alta puresa-exhibeix una sèrie de propietats completes excel·lents i úniques, com ara una transmitància òptica superior, resistència a la radiació, estabilitat tèrmica i estabilitat química.
La història de la preparació del vidre de quars es remunta al 1839, quan el francès Gandin va produir amb èxit una peça opaca de vidre de quars fonent sorra de quars amb una flama d'hidrogen-oxigen. Des de llavors, països d'arreu del món s'han implicat activament en la investigació i el desenvolupament de tecnologies de fabricació de vidre de quars. Han sorgit nous mètodes de producció, els processos de fabricació han millorat contínuament i la indústria ha experimentat un ràpid creixement.
El mètode de refinació de gas consisteix a utilitzar una flama d'hidrogen-oxigen per fondre el quars natural i després dipositar gradualment el material fos a la superfície d'un objectiu de vidre de quars per obtenir un lingot de vidre de quars. Les matèries primeres tant per al mètode de fusió elèctrica com per al mètode de refinació de gas són sorra de quars. El vidre de quars d'alta-puresa té requisits molt estrictes per a la sorra de quars, però les fonts globals de mineral de quars d'alta-puresa es troben principalment a països com els Estats Units, Noruega i Austràlia. La Xina és un gran consumidor de sorra de quars d'alta-puresa, però les fonts de mineral de quars d'alta-puresa depenen principalment de les importacions. L'alt grau de dependència de les importacions de matèries primeres pot afectar l'estabilitat del desenvolupament industrial. Per tant, el desenvolupament del procés de preparació del vidre de quars sintètic és especialment important.
El procés de preparació del vidre de quars sintètic inclou principalment la deposició de vapor químic (Deposició de vapor químic, CVD), la deposició de vapor químic de plasma (PCVD), el mètode de deposició de vapor químic indirecte i el mètode de sol-gel.
El vidre de quars també es pot classificar en vidre de quars opac i vidre de quars transparent segons la seva transparència:
El vidre de quars opac conté un gran nombre de petites bombolles i altres partícules disperses, que presenten un aspecte opac o semi{0}}opac. Es pot utilitzar per fabricar reactors de síntesi, vidre òptic i gresols de fusió per a silici mono-.
El vidre de quars transparent conté un petit nombre de punts de dispersió de bombolles, normalment expressats en ppm. Les condicions de preparació del vidre de quars transparent són més estrictes que les del vidre de quars opac i té un rang d'aplicació més ampli. És un material important per preparar components òptics-d'alta qualitat.
El rendiment del vidre de quars està estretament relacionat amb la seva puresa química, que està influenciada per les matèries primeres i el procés de preparació. Els defectes comuns del vidre de quars es poden dividir en dues categories: defectes estructurals i defectes macroscòpics. Com es mostra a la figura, durant el procés de creixement dels cristalls de quars naturals, inevitablement es produeixen diversos defectes. En el procés de preparació de productes de vidre, a causa de les limitacions del procés de preparació i de l'entorn operatiu, es poden introduir diverses impureses, es pot generar estrès residual i, per tant, es poden produir defectes estructurals i defectes macroscòpics. Els defectes estructurals del vidre de quars són causats per la introducció d'impureses a la xarxa atòmica de Si-O, incloent principalment impureses metàl·liques i grups hidroxil: les impureses metàl·liques provenen principalment de la sorra de quars, i les impureses metàl·liques com el Fe i el Cr poden provocar una atenuació de l'absorció. Els grups hidroxil del vidre de quars solen venir de flames d'hidrogen-oxigen. Els grups hidroxil afectaran l'estabilitat de l'enllaç Si-O, reduiran l'estabilitat química del vidre de quars, afavoriran l'ocurrència de fenòmens de cristal·lització i, al mateix temps, els grups hidroxil augmentaran la pèrdua òptica a les regions de longitud d'ona de l'infraroig {-proper i mitjà{10}}. Les bandes d'absorció de vibracions dels enllaços Si-OH a longituds d'ona específiques com ara 2,72, 1,39 i 0,9 μm afectaran l'aplicació del vidre de quars en els camps de fibres òptiques i làsers.
Els defectes macroscòpics del vidre de quars inclouen principalment bombolles, inclusions, ratlles i esquerdes, etc. Aquests defectes solen produir-se a causa d'una puresa insuficient de les matèries primeres o d'un procés de preparació inadequat. La viscositat del quars en estat fos és alta i les bombolles internes són difícils d'escapar per si soles. Si el procés de fusió no és estricte, també pot haver-hi un fenomen en què les matèries primeres internes no s'han fos completament abans de ser encapsulades pel quars ja fos a la superfície. Al mateix temps, el vidre de quars és un mal conductor tèrmic. Durant el procés de refrigeració, els canvis de temperatura a la superfície i a l'interior són inconsistents, formant un gran gradient de temperatura, generant estrès tèrmic, i un estrès tèrmic excessiu fins i tot pot provocar esquerdes locals. Reduir diversos defectes dins del vidre de quars i garantir les seves excel·lents propietats òptiques és de crucial importància.
En el procés de preparació de vidre de quars mitjançant el mètode CVD indirecte, d'una banda, s'utilitzen compostos que contenen silici d'alta -puresa- per reduir el contingut d'impureses metàl·liques. D'altra banda, la sinterització s'utilitza per a la deshidroxilació, reduint eficaçment la concentració d'hidroxil del vidre de quars, fent-lo més superior en el rendiment de la transmissió ultraviolada profunda, amb un llindar més alt de resistència al dany del làser i millorant encara més les seves propietats òptiques.
Tanmateix, quan el vidre de quars s'escalfa a altes temperatures i després es refreda a temperatura ambient, es genera estrès tèrmic i la tensió interna desigual tindrà un impacte significatiu en les propietats òptiques del producte. La distribució desigual de l'estrès farà que l'índex de refracció de diferents regions del vidre de quars canviï, donant lloc a canvis en el camí òptic i la intensitat de la llum que passa pel vidre de quars, generant refracció i dispersió desiguals i reduint la uniformitat òptica del producte. Al mateix temps, l'efecte birrefringència-induït per l'estrès farà que el front d'ona del feix de llum es distorsioni. En dispositius làser d'alta potència-, la distorsió del front d'ona afectarà directament l'estabilitat del feix làser i la tensió interna també pot provocar una disminució de la resistència al dany del làser del vidre de quars, reduint la seva vida útil i fiabilitat.
Per als dispositius de guia d'ones òptiques, com ara reixes de guies d'ones de matriu, làsers, filtres ajustables, etc., la birrefringència d'estrès també és un problema que no es pot ignorar. A causa de l'efecte birrefringència de l'estrès, les característiques de propagació de la llum es modifiquen, provocant un canvi de polarització i una pèrdua depenent de la polarització-. L'àrea tensada pot fins i tot canviar la forma del mode del dispositiu de guia d'ona òptica, afectant greument el rendiment i l'estabilitat del dispositiu.
Mitjançant el control de l'estrès dins del vidre de quars, la nostra empresa pot evitar la generació de defectes greus com l'esquerda, assegurant les seves excel·lents propietats òptiques, millorant així el rendiment i la fiabilitat del vidre de quars, i permetent-li satisfer les necessitats de diverses aplicacions òptiques i tenir un paper important en aplicacions industrials.
