Kvarca stikls sastāv tikai no silīcija dioksīda, un pašlaik plaši pieņemtais strukturālais modelis ir nepārtrauktā nejaušā tīkla (CRN) modelis. Šajā modelī Si un O atomi veido gandrīz perfektas trīsdimensiju Si-O tetraedriskas struktūras. Shematiska diagramma, kas ilustrē augstas -tīrības pakāpes kvarca stikla plakanu mikrostruktūru un tā telpisko izvietojumu, ir parādīta attēlā. Si-O ķīmiskajām saitēm ir augsta saites enerģija un īss saites garums, kā rezultātā veidojas ļoti kompakta telpiskā struktūra. Pateicoties tā mikroskopiskās tīkla struktūras integritātei un necaurlaidībai, augstas-tīrības pakāpes kvarca stiklam piemīt vairākas izcilas un unikālas visaptverošas īpašības, piemēram, izcila optiskā caurlaidība, starojuma izturība, termiskā stabilitāte un ķīmiskā stabilitāte.
Kvarca stikla sagatavošanas vēsture aizsākās 1839. gadā, kad francūzis Gandins veiksmīgi izgatavoja necaurspīdīgu kvarca stikla gabalu, kausējot kvarca smiltis ar ūdeņraža-skābekļa liesmu. Kopš tā laika valstis visā pasaulē ir aktīvi iesaistījušās kvarca stikla ražošanas tehnoloģiju izpētē un attīstībā. Ir parādījušās jaunas ražošanas metodes, nepārtraukti uzlabojušies ražošanas procesi, un nozare piedzīvojusi strauju izaugsmi.
Gāzes attīrīšanas metode ietver ūdeņraža -skābekļa liesmas izmantošanu, lai izkausētu dabisko kvarcu, un pēc tam izkausētā materiāla pakāpeniski nogulsnējot uz kvarca stikla mērķa virsmas, lai iegūtu kvarca stikla lietni. Gan elektriskās kausēšanas metodes, gan gāzes rafinēšanas metodes izejvielas ir kvarca smiltis. Augstas-tīrības pakāpes kvarca stiklam ir ļoti stingras prasības attiecībā uz kvarca smiltīm, taču globālie augstas-tīrības pakāpes kvarca rūdas avoti galvenokārt atrodas tādās valstīs kā ASV, Norvēģija un Austrālija. Ķīna ir galvenais augstas-tīrības pakāpes kvarca smilšu patērētājs, taču augstas-tīrības pakāpes kvarca rūdas avoti galvenokārt ir atkarīgi no importa. Lielā atkarība no izejvielu importa var ietekmēt rūpniecības attīstības stabilitāti. Tāpēc sintētiskā kvarca stikla sagatavošanas procesa izstrāde ir īpaši svarīga.
Sintētiskā kvarca stikla sagatavošanas process galvenokārt ietver ķīmisko tvaiku pārklāšanu (ķīmisko tvaiku pārklāšanu, CVD), plazmas ķīmisko tvaiku pārklāšanu (PCVD), netiešo ķīmisko tvaiku pārklāšanas metodi un sol{0}}gela metodi.
Kvarca stiklu var iedalīt arī necaurspīdīgā kvarca stiklā un caurspīdīgā kvarca stiklā, pamatojoties uz tā caurspīdīgumu:
Necaurspīdīgs kvarca stikls satur lielu skaitu sīku burbuļu un citu izkliedējošu daļiņu, kas izskatās necaurspīdīgs vai daļēji{0}}necaurspīdīgs. To var izmantot sintēzes reaktoru, optiskā stikla un viena -kristāla silīcija kausēšanas tīģeļu ražošanai.
Caurspīdīgs kvarca stikls satur nelielu skaitu burbuļu izkliedes punktu, ko parasti izsaka ppm. Caurspīdīga kvarca stikla sagatavošanas nosacījumi ir stingrāki nekā necaurspīdīgam kvarca stiklam, un tam ir plašāks pielietojuma diapazons. Tas ir svarīgs materiāls augstas kvalitātes-optisko komponentu sagatavošanai.
Kvarca stikla veiktspēja ir cieši saistīta ar tā ķīmisko tīrību, ko ietekmē izejvielas un sagatavošanas process. Bieži sastopamos kvarca stikla defektus var iedalīt divās kategorijās: strukturālie defekti un makroskopiski defekti. Kā redzams attēlā, dabīgo kvarca kristālu augšanas procesā neizbēgami rodas dažādi defekti. Stikla izstrādājumu sagatavošanas procesā sagatavošanas procesa un darbības vides ierobežojumu dēļ var tikt ievadīti dažādi piemaisījumi, var rasties atlikušais spriegums, līdz ar to var rasties struktūras defekti un makroskopiski defekti. Kvarca stikla strukturālos defektus izraisa piemaisījumu ievadīšana Si-O atomu režģī, galvenokārt ietverot metālu piemaisījumus un hidroksilgrupas: metālu piemaisījumi galvenokārt nāk no kvarca smiltīm, un metālu piemaisījumi, piemēram, Fe un Cr, var izraisīt absorbcijas pavājināšanos. Hidroksilgrupas kvarca stiklā parasti nāk no ūdeņraža -skābekļa liesmām. Hidroksilgrupas ietekmēs Si-O saites stabilitāti, samazinās kvarca stikla ķīmisko stabilitāti, veicinās kristalizācijas parādību rašanos, un tajā pašā laikā hidroksilgrupas palielinās optiskos zudumus tuvā-infrasarkanā un vidējā{10}infrasarkanā viļņa garuma apgabalos. Si-OH saišu vibrācijas absorbcijas joslas noteiktos viļņu garumos, piemēram, 2,72, 1,39 un 0,9 μm, ietekmēs kvarca stikla pielietojumu optisko šķiedru un lāzeru jomā.
Kvarca stikla makroskopiskie defekti galvenokārt ir burbuļi, ieslēgumi, svītras un plaisas utt. Šie defekti parasti rodas nepietiekamas izejvielu tīrības vai nepareiza sagatavošanas procesa dēļ. Kvarca viskozitāte izkausētā stāvoklī ir augsta, un iekšējie burbuļi ir grūti izkļūt paši. Ja kausēšanas process nav stingrs, var būt arī parādība, kad iekšējās izejvielas nav pilnībā izkusušas, pirms tās ir iekapsulētas ar jau izkusušo kvarcu uz virsmas. Tajā pašā laikā kvarca stikls ir slikts siltuma vadītājs. Dzesēšanas procesā temperatūras izmaiņas virsmā un iekšpusē ir nekonsekventas, veidojot lielu temperatūras gradientu, radot termisko spriegumu, un pārmērīgs termiskais spriegums var izraisīt pat lokālu plaisāšanu. Izšķiroša nozīme ir dažādu defektu samazināšanai kvarca stikla iekšpusē un tā izcilo optisko īpašību nodrošināšanai.
Kvarca stikla sagatavošanas procesā ar netiešo CVD metodi, no vienas puses, tiek izmantoti augstas -tīrības pakāpes silīcija-saturoši savienojumi, lai samazinātu metālu piemaisījumu saturu. No otras puses, dehidroksilēšanai tiek izmantota saķepināšana, kas efektīvi samazina kvarca stikla hidroksilgrupu koncentrāciju, padarot to labāku dziļā ultravioletā starojuma caurlaidībā, ar augstāku slieksni pret lāzera bojājumiem un vēl vairāk uzlabojot tā optiskās īpašības.
Tomēr, karsējot kvarca stiklu augstā temperatūrā un pēc tam atdzesējot līdz istabas temperatūrai, rodas termiskais spriegums, un nevienmērīgais iekšējais spriegums būtiski ietekmēs izstrādājuma optiskās īpašības. Sprieguma nevienmērīgais sadalījums izraisīs dažādu kvarca stikla apgabalu refrakcijas indeksa izmaiņas, kā rezultātā mainīsies optiskais ceļš un gaismas intensitāte gaismai, kas iet cauri kvarca stiklam, radot nevienmērīgu refrakciju un izkliedi un samazinot izstrādājuma optisko viendabīgumu. Tajā pašā laikā sprieguma -izraisītā dubultlaušanas efekts izraisīs gaismas stara viļņu frontes izkropļojumus. Lieljaudas-lāzerierīcēs viļņu frontes izkropļojumi tieši ietekmēs lāzera stara stabilitāti, un iekšējais spriegums var izraisīt arī kvarca stikla izturības pret lāzera bojājumiem samazināšanos, samazinot tā kalpošanas laiku un uzticamību.
Optisko viļņvadu ierīcēm, piemēram, masīvu viļņvada režģiem, lāzeriem, noskaņojamiem filtriem utt., sprieguma divkāršā laušana ir arī problēma, kuru nevar ignorēt. Sprieguma divkāršās laušanas efekta dēļ mainās gaismas izplatīšanās raksturlielumi, izraisot polarizācijas nobīdi un polarizācijas -atkarīgus zudumus. Noslogotā zona var pat mainīt optiskā viļņvada ierīces režīma formu, nopietni ietekmējot ierīces veiktspēju un stabilitāti.
Kontrolējot spriegumu kvarca stiklā, mūsu uzņēmums var izvairīties no nopietnu defektu rašanās, piemēram, plaisāšanas, nodrošinot tā izcilās optiskās īpašības, tādējādi uzlabojot kvarca stikla ražīgumu un uzticamību un ļaujot tam apmierināt dažādu optisko lietojumu vajadzības un ieņemt svarīgu lomu rūpnieciskos lietojumos.
