Drei Herstellungsverfahren für hochreines Quarzglas

Natürliches Quarzglas

Die erste Kategorie umfasst das Schmelzen von natürlichen Quarz Kristalle oder Kieselsäure zur Herstellung von natürlichem Quarzglas, das je nach Wärmequellen und -prozessen weiter in Methoden wie ‌Elektroschmelzen‌, ‌Gasverbrennung‌ und ‌Plasmaschmelzen‌ unterteilt werden kann.

Beim Elektroschmelzverfahren werden Quarzpulver in einem Tiegel durch elektrische Heizung (einschließlich Widerstandsheizung und elektromagnetischer Induktionsheizung) geschmolzen. Anschließend erfolgt ein schneller Abkühlungsprozess durch Verglasung, wodurch Quarzglas entsteht.14 Während des Schmelzens durchläuft die Quarzkristallstruktur Phasenübergänge von β-Quarz zu α-Quarz und dann zu α-Cristobalit (begleitet von der Bildung einer amorphen Phase), bis bei etwa 1723 °C die Quarzschmelze zu entstehen beginnt.

Hochreiner Quarzsand

Der Schmelzprozess von Quarzpulver erfolgt üblicherweise in einer Hochvakuumumgebung (0.1–10 Pa), um die dabei freigesetzten Gase zu entfernen und den Blasengehalt im Quarzglas zu reduzieren. Die Qualität von im Elektroschmelzverfahren hergestelltem Quarzglas hängt maßgeblich von der Reinheit der Rohstoffe ab. Metallverunreinigungen in Quarzrohstoffen lassen sich in der Regel nur schwer entfernen, sodass der Metallverunreinigungsgehalt in geschmolzenem Quarzglas in der Regel hoch und schwer zu kontrollieren ist. Die Feuchtigkeit im Quarzpulver lässt sich durch Trocknen effektiv entfernen, sodass im Elektroschmelzverfahren Quarzglas mit niedrigem Hydroxylgehalt hergestellt werden kann.

Synthetisches Quarzglas

Die zweite Kategorie umfasst die Synthese Quarzglas Durch chemische Reaktionen unter Verwendung siliziumhaltiger Verbindungen (z. B. Halogensilane, Hydrosilane und Organosiliciumverbindungen) als Rohstoffe wird synthetisches Quarzglas genannt. Basierend auf den Reaktionsprinzipien wird diese Kategorie weiter in drei Verfahren unterteilt.

1) Plasma-Chemische Gasphasenabscheidung (PCVD): Siliziumhaltige Verbindungen werden in einer wasserfreien Umgebung einer thermischen Oxidation unterzogen, um SiO₂ zu erzeugen.

2) Flammenhydrolyse-Abscheidung (FHD): Siliziumhaltige Verbindungen unterliegen in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme einer Hydrolyse (oft begleitet von Oxidation).

3) Sol-Gel-Verfahren: Siliziumhaltige Verbindungen unterliegen einer Hydrolyse in einem wässrigen Medium.

Unter diesen ist „FHD“ die am weitesten verbreitete und ausgereifteste Industrietechnologie und umfasst sowohl die „direkte Synthese“ als auch die „indirekte Synthese“.

● ‌Direktsynthese‌: Durch Hochtemperaturhydrolyse entstehen geschmolzene SiO₂-Partikel, die direkt auf einem Substrat abgeschieden und abgekühlt werden, um Quarzglas zu bilden.

● ‌Indirekte Synthese‌: Durch Hydrolyse bei niedrigen Temperaturen entstehen rußartige SiO₂-Partikel, die einen porösen SiO₂-Körper bilden. Dieser poröse Körper wird dehydriert, dotiert, gesintert und abgekühlt, um Quarzglas zu erhalten.

In industriellen Anwendungen wird üblicherweise die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) als direkte Synthesemethode verwendet. Zu den indirekten Synthesemethoden gehören modifizierte CVD-basierte Ansätze wie die zweistufige CVD, die axiale Dampfphasenabscheidung (VAD) und die äußere Gasphasenabscheidung (OVD).

Diese Verfahren unterscheiden sich in den Herstellungsprozessen und Endprodukten. Beispielsweise werden CVD und Zwei-Stufen-CVD hauptsächlich zur Herstellung großer Quarzglasblöcke eingesetzt, während VAD und OVD hauptsächlich zur Herstellung von Quarzglas-Glasfaservorformen verwendet werden. Trotz dieser Unterschiede basieren alle Verfahren grundsätzlich auf den Prinzipien der Flammenhydrolyse-Abscheidung (FHD).

Quarzglasbarren

Vorformling für optische Fasern

Thermische Modifikationsmethode

In der industriellen Praxis sind die Formanforderungen von Quarzglasprodukten entscheidend. Beispielsweise werden hochreine Quarzglasröhren und -stäbe häufig in der Halbleiterindustrie eingesetzt. Daher ist die Produktumformung (Reformierung) in der Quarzglasherstellung von großer Bedeutung. Derzeit ist das thermische Reformierungsverfahren der wichtigste industrielle Ansatz zur Modifizierung von Quarzglas Dabei wird das Quarzglas bis zu seinem Erweichungspunkt erhitzt und anschließend entsprechend den praktischen Anforderungen in seine Form gebracht.

Synthetisches Quarzglasrohr

Wenn die Temperatur steigt, Quarzglas Die Vorform erweicht und kann von einer Ziehvorrichtung nach unten gezogen werden, um Quarzglasstäbe oder -rohre zu formen. Durch Anpassung der Ofentemperatur und der Ziehgeschwindigkeit können Stäbe oder Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt werden. Die Spulenanordnung und der Ofenaufbau des elektromagnetischen Induktionsofens beeinflussen maßgeblich das Temperaturverteilungsfeld im Ofen. In der praktischen Produktion ist eine strikte Kontrolle dieses Temperaturfeldes unerlässlich, um die Qualität der Quarzglasprodukte zu gewährleisten.

Quarzglasstäbe und Quarzglasrohre

(Teile im Bild: 1-Quarzglas-Mutterstab; 2-Heizelement; 3-Quarzglasstab; 4-Quarzglas-Mutterrohr; 5-Induktionsspule; 6-Quarzglasrohr; 7-Traktor)