Quels sont les principaux composants chimiques des tiges de verre de quartz ?

Le principal composant chimique de tiges de verre de quartz est du dioxyde de silicium (SiO₂), dont la pureté est généralement supérieure à 99,9 %, et le verre de quartz de haute pureté peut même atteindre 99,9999 % (qualité 6N).

1. Structure moléculaire du dioxyde de silicium (SiO₂)
La raison fondamentale pour laquelle les tiges de verre de quartz possèdent d'excellentes propriétés physiques et chimiques est la structure moléculaire particulière du dioxyde de silicium. Contrairement au verre ordinaire, la microstructure du verre de quartz présente une caractéristique de type réseau très stable, qui détermine directement les propriétés thermiques, optiques et mécaniques du matériau.

Au niveau atomique, l’unité structurelle de base du dioxyde de silicium est le tétraèdre silicium-oxygène. Dans cette structure, un atome de silicium est situé au centre et quatre atomes d'oxygène sont répartis uniformément aux sommets du tétraèdre. Chaque atome d'oxygène forme une forte liaison covalente avec l'atome central de silicium. Cette méthode de liaison a une énergie de liaison extrêmement élevée, rendant l’ensemble de la structure extrêmement stable.

Il est particulièrement remarquable que chaque atome d’oxygène forme généralement un pont avec deux atomes de silicium, reliant ainsi les tétraèdres silicium-oxygène adjacents pour former une structure de réseau tridimensionnelle continue. Ce mode de connexion unique confère au verre de quartz une excellente résistance mécanique et stabilité chimique.

La caractéristique structurelle la plus remarquable du verre de quartz est sa nature amorphe. Bien que la disposition des tétraèdres silicium-oxygène dans la plage locale reste ordonnée, la disposition spatiale de ces tétraèdres est complètement désordonnée à l'échelle macroscopique. Cette caractéristique structurelle rend le verre de quartz isotrope en termes de propriétés physiques, c'est-à-dire que ses propriétés ne changent pas avec la direction de mesure.

Par rapport au quartz cristallin, la structure amorphe fait que le verre de quartz n'a pas de point de fusion clair, mais se ramollit progressivement pendant le chauffage, ce qui est d'une grande importance dans les applications pratiques.

La comparaison du verre de quartz avec le quartz cristallin permet de mieux comprendre ses caractéristiques structurelles. Les tétraèdres silicium-oxygène dans le quartz cristallin sont disposés selon des règles strictes du système cristallin hexagonal pour former une structure cristalline ordonnée à longue portée. Cet arrangement ordonné fait que le quartz cristallin présente une anisotropie, comme le fameux phénomène de biréfringence. Cependant, le verre de quartz ne dispose pas de cet ordre à longue portée et ne produit pas de biréfringence, ce qui lui confère un avantage unique dans les applications optiques.

La structure particulière de la silice détermine directement les propriétés clés du verre de quartz. Premièrement, la structure de réseau tridimensionnelle continue rend le matériau extrêmement transparent et peut maintenir une excellente transmission des bandes ultraviolettes aux bandes infrarouges. Deuxièmement, le réseau composé de liaisons covalentes fortes peut résister efficacement aux changements dimensionnels provoqués par les changements de température, conférant au matériau un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. De plus, les liaisons stables silicium-oxygène rendent le verre de quartz inerte à la plupart des produits chimiques et ne seront corrodés que par l'acide fluorhydrique et les alcalis forts.

Dans les applications pratiques, même des traces d’éléments impuretés peuvent avoir un effet significatif sur la structure du réseau de silice. Par exemple, lorsque les ions aluminium remplacent les ions silicium et pénètrent dans le réseau, des défauts structurels seront provoqués, entraînant une diminution de la transmission ultraviolette du matériau. De même, l’introduction d’ions de métaux alcalins interrompra le réseau de liaisons silicium-oxygène et réduira considérablement la résistance du matériau aux températures élevées. Par conséquent, dans les applications hautes performances, la pureté des matières premières doit être strictement contrôlée pour garantir l’intégrité de la structure du réseau de silice.

2. La différence entre la tige de verre de quartz et les autres matériaux en verre
De la composition de base du matériau, tige de verre de quartz est presque entièrement composé de dioxyde de silicium pur. Cette pureté extrêmement élevée lui permet de former un réseau tridimensionnel continu et uniforme dans la microstructure. En revanche, le verre ordinaire tel que le verre sodocalcique a une composition beaucoup plus complexe et contient une grande quantité d’oxydes modifiés en plus du dioxyde de silicium.

Bien que ces composants ajoutés améliorent les performances de traitement du verre ordinaire, ils modifient également fondamentalement les propriétés essentielles du matériau. Le verre borosilicaté, autre type courant, a une composition intermédiaire entre les deux et des performances relativement équilibrées sont obtenues en ajoutant de l'oxyde de bore.

En termes de propriétés thermiques, les tiges de verre de quartz présentent une excellente stabilité. En raison de sa structure en dioxyde de silicium pur et de sa forte force de liaison silicium-oxygène, le verre de quartz peut résister à des températures extrêmement élevées sans ramollissement ni déformation. Cette propriété en fait un choix idéal pour les expériences à haute température et les applications industrielles.

Le verre ordinaire commence à ramollir à des températures relativement basses, ce qui limite considérablement son utilisation dans des environnements à haute température. Bien que le verre borosilicaté ait amélioré dans une certaine mesure la résistance à la chaleur, il ne peut toujours pas atteindre le niveau du verre de quartz.

Tiges de verre de quartz ont des caractéristiques de transmission lumineuse extrêmement excellentes en raison de leur composition très pure et de leur structure uniforme. Il peut non seulement transmettre la lumière visible, mais également laisser passer les rayons ultraviolets et infrarouges en douceur. Cette capacité de transmission de la lumière à large bande est difficile à atteindre pour d’autres matériaux en verre.

Le verre ordinaire contient divers ions métalliques et impuretés, ce qui a un effet bloquant très évident sur les rayons ultraviolets, ce qui le rend totalement incapable de remplacer le verre de quartz dans les applications nécessitant une transmission ultraviolette. Bien que les propriétés optiques du verre borosilicaté soient meilleures que celles du verre ordinaire, sa transmission de la lumière dans la région ultraviolette est toujours inférieure à celle du verre de quartz.

En termes de stabilité chimique, les tiges de verre de quartz se comportent également de manière exceptionnelle. Il présente une forte résistance à la plupart des substances acides et ne sera corrodé que par quelques substances hautement corrosives telles que l'acide fluorhydrique. Cette excellente résistance à la corrosion le rend largement utilisé dans l’industrie chimique. La stabilité chimique du verre ordinaire est relativement mauvaise, notamment dans les environnements alcalins. Bien que la résistance chimique du verre borosilicaté ait été améliorée, elle n’est toujours pas comparable à celle du verre de quartz.

D’un point de vue microscopique, une autre caractéristique importante du verre de quartz est son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. Cela signifie que la taille du verre de quartz ne change pratiquement pas lorsque la température change. Cette propriété le rend irremplaçable dans les instruments optiques de précision et les environnements soumis à des changements de température drastiques. Le verre ordinaire a une dilatation thermique beaucoup plus importante, ce qui peut provoquer des contraintes et même des fissures lorsque la température fluctue. Le verre borosilicate réduit la dilatation thermique grâce à une formule de composition spéciale, mais il n'est toujours pas aussi performant que le verre de quartz.

Dans les scénarios d'application réels, ces différences de performances déterminent directement les domaines applicables des différents matériaux de verre. Les tiges de verre de quartz sont largement utilisées dans des domaines haut de gamme tels que la fabrication de semi-conducteurs, l'optique de précision et les expériences à haute température en raison de leurs excellentes performances globales.

Le verre ordinaire est principalement utilisé dans les nécessités quotidiennes et dans les domaines de la construction. Ses avantages sont un faible coût et une mise en œuvre facile. Le verre borosilicaté a trouvé sa propre position sur le marché et est utilisé dans les ustensiles de laboratoire et dans certaines lampes spéciales.

3. Processus de production de tiges de verre de quartz
La production de tiges de verre de quartz est un processus complexe qui intègre la science des matériaux, la technologie à haute température et un traitement de précision. Le cœur réside dans la manière de convertir les matières premières de silice en produits en forme de tiges avec des exigences spécifiques en termes de performances et de taille. L'ensemble du processus de production peut être divisé en quatre étapes principales : le traitement des matières premières, le moulage par fusion, l'étirage et le post-traitement. Chaque étape nécessite un contrôle strict pour garantir la qualité du produit final.

(1). Préparation et prétraitement des matières premières
Le premier maillon de la production de verre de quartz est la sélection et la purification des matières premières. Selon les exigences de qualité du produit, du sable de quartz naturel ou de la silice synthétique peuvent être sélectionnés comme matières premières. Pour les tiges de quartz ayant des exigences de pureté élevées, la silice synthétique préparée par dépôt chimique en phase vapeur est généralement utilisée et sa pureté peut atteindre plus de 99,9999 %.

Les matières premières doivent subir plusieurs processus de purification avant d'entrer dans le processus de fusion : d'abord, le décapage est utilisé pour éliminer les impuretés métalliques, puis un traitement de chloration à haute température est effectué pour une purification plus poussée, et enfin un criblage de précision est utilisé pour garantir une taille de particule uniforme. La qualité du traitement à ce stade affecte directement les propriétés optiques et la stabilité thermique du produit final.

(2). Processus de fusion à haute température
La fusion est le maillon central de la production de verre de quartz. Actuellement, trois technologies de fusion sont principalement utilisées dans l’industrie :

La fusion électrique est le processus de production le plus traditionnel. Dans un environnement de protection sous vide ou sous gaz inerte, le sable de quartz est fondu par un arc à haute température généré par une électrode en graphite. Cette méthode nécessite un investissement en équipement relativement faible et convient à la production de tiges de quartz de grande taille, mais une petite quantité d'impuretés de carbone peut rester dans le produit.

La méthode de raffinage du gaz utilise une flamme hydrogène-oxygène comme source de chaleur et la température peut dépasser 2 000 °C. Le sable de quartz de haute pureté est fondu dans la flamme hydrogène-oxygène, et du verre de quartz d'une pureté extrêmement élevée peut être obtenu en contrôlant avec précision la température de la flamme et le temps de fusion. Ce procédé est particulièrement adapté à la production de tiges de quartz de qualité optique, mais la consommation d'énergie est élevée et le rendement de production est relativement faible.

La fusion plasma est une technologie haut de gamme développée ces dernières années. Il utilise une torche à plasma pour générer une température ultra-élevée (jusqu'à 3 000°C) afin de faire fondre instantanément les matières premières. L'avantage de cette méthode est qu'elle peut produire du verre de quartz d'ultra haute pureté, presque exempt d'hydroxyle et d'autres impuretés, et convient particulièrement aux applications de semi-conducteurs et de fibres optiques, mais l'équipement est complexe et coûteux.

(3). Processus de moulage et d'étirage
Le verre de quartz fondu doit être moulé avec précision pour obtenir des tiges répondant aux exigences. Il existe deux méthodes principales de moulage :

La méthode de moulage dans un moule injecte du quartz fondu dans un moule spécial et obtient la forme souhaitée en contrôlant avec précision la vitesse de refroidissement. Cette méthode convient à la production de tiges de quartz de grand diamètre, mais il peut y avoir une concentration de contraintes à l'intérieur du produit.

La méthode d’étirage continu est le procédé de production le plus couramment utilisé. Le quartz fondu s'écoule d'une plaque de fuite spéciale et est aspiré à une vitesse constante grâce à un système de traction contrôlé avec précision. En ajustant la vitesse et la température d'étirage, différentes spécifications de produits avec des diamètres allant de quelques millimètres à des centaines de millimètres peuvent être obtenues. Le gradient de température et la vitesse de refroidissement doivent être contrôlés avec précision pendant le processus d'étirage pour garantir la précision dimensionnelle et la qualité interne de la tige.

(4). Traitement de recuit de précision
La tige de quartz nouvellement formée doit subir un processus de recuit strict pour éliminer les contraintes internes. Le processus de recuit est généralement effectué dans un four de recuit spécial, dont la température est contrôlée entre 1 100 et 1 200 ℃, et le temps d'isolation dépend de la taille de la tige. La clé est de contrôler strictement la vitesse de refroidissement. Habituellement, la méthode de refroidissement est segmentée. Cela peut prendre plusieurs jours entre la zone de haute température et la zone de basse température. Un recuit parfait peut améliorer considérablement la stabilité thermique et la résistance mécanique de la tige de quartz.

(5). Post-traitement et finition
La tige de quartz recuite doit également subir plusieurs processus d’usinage de précision :

L'usinage comprend le meulage cylindrique, le meulage des faces d'extrémité, etc. pour garantir la précision dimensionnelle et la finition de surface. Pour les tiges de quartz ayant des exigences particulières, un traitement complexe tel que le perçage et le rainurage peut être nécessaire.

Le traitement de surface est une étape clé pour améliorer les performances, y compris des processus tels que le polissage au feu et la gravure chimique. Le polissage au feu utilise une flamme à haute température pour micro-fondre la surface afin d'obtenir une surface optiquement lisse ; la gravure chimique est utilisée pour éliminer la couche endommagée par le traitement et améliorer la résistance.

Les traitements spéciaux peuvent inclure : une irradiation UV pour améliorer les propriétés optiques, un traitement thermique à haute température pour réduire la teneur en hydroxyle ou un revêtement de surface pour améliorer des fonctions spécifiques en fonction des exigences de l'application.

6. Inspection et contrôle de la qualité
La tige de quartz finie doit passer par une série de processus d’inspection de qualité stricts avant de quitter l’usine. Ces éléments d'inspection couvrent plusieurs indicateurs de performance clés du matériau, tels que l'optique, la physique, la thermique et la chimie. Lors du test de performance optique, les techniciens utiliseront un spectrophotomètre de précision pour mesurer les caractéristiques de transmission de la tige de quartz à différentes longueurs d'onde, en accordant une attention particulière à ses performances de transmission dans les bandes ultraviolettes et infrarouges.

Dans le même temps, des interféromètres laser et d'autres équipements seront utilisés pour détecter l'uniformité de l'indice de réfraction afin de garantir que les performances optiques de l'ensemble de la tige de quartz répondent aux exigences de conception. Ces données de tests optiques sont cruciales pour déterminer si le tige de quartz convient aux systèmes optiques de précision.

La détection de la précision des dimensions géométriques est le maillon de base du contrôle qualité. Les inspecteurs utiliseront des pieds à coulisse, des micromètres et d'autres outils de mesure de haute précision pour mesurer les dimensions de base de la tige de quartz, telles que le diamètre, la longueur et la rondeur. Pour les applications à forte demande, une machine de mesure à trois coordonnées peut également être utilisée pour une détection dimensionnelle plus précise afin de garantir que la tolérance géométrique de la tige de quartz est contrôlée dans la plage autorisée. Ce test est directement lié à la précision d'adaptation de la tige de quartz lors du processus d'assemblage et d'utilisation ultérieur.

L'inspection des défauts internes est principalement réalisée par des équipements de test professionnels. Les méthodes courantes incluent l’observation au microscope optique, la détection des défauts aux rayons X et les tests par ultrasons. Ces méthodes de détection peuvent identifier avec précision les défauts tels que les bulles, les impuretés, les fissures, etc. qui peuvent exister à l'intérieur de la tige de quartz et déterminer la qualité du produit en fonction de la taille, de la quantité et de la répartition des défauts. En particulier pour les tiges de quartz de qualité optique et semi-conductrice, les normes de contrôle des défauts internes sont plus strictes et n'exigent généralement aucun défaut visible.

Les tests de performances thermiques comprennent principalement deux éléments importants : le test du coefficient de dilatation thermique et le test de résistance aux chocs thermiques. Le test du coefficient de dilatation thermique utilise un analyseur thermomécanique pour mesurer les changements dimensionnels de la tige de quartz à différentes températures. Le test de résistance aux chocs thermiques consiste à basculer rapidement la tige de quartz entre des environnements à haute et basse température pour observer sa résistance aux fissures. Ces données de performances thermiques constituent une grande valeur de référence pour évaluer la fiabilité des tiges de quartz dans des environnements de changement de température.

Les tests de stabilité chimique évaluent principalement la tolérance des tiges de quartz dans divers environnements chimiques. Les méthodes de test courantes comprennent l'immersion d'échantillons de tiges de quartz dans des solutions acides et alcalines de différentes concentrations, l'observation de leurs changements de surface et la mesure des changements de poids et des changements de rugosité de surface avant et après l'immersion.

Parmi eux, le test de résistance à l’acide fluorhydrique est particulièrement important, car le verre de quartz est particulièrement sensible à la corrosion dans un environnement acide fluorhydrique. Grâce à ces tests de qualité complets, il est possible de garantir que chaque tige de quartz expédiée depuis l'usine répond à des normes de qualité strictes et répond aux exigences particulières des différents scénarios d'application.

7. Domaines d'application de tiges de verre de quartz
Dans le domaine de l'ingénierie optique, les tiges de verre de quartz jouent un rôle essentiel. En raison de son excellente transmission de la lumière UV-visible-infrarouge sur toute la bande, c'est un matériau idéal pour la fabrication de composants optiques de haute précision. Dans les applications de la technologie laser, les tiges de quartz sont souvent utilisées comme milieux de cavité résonante et fenêtres optiques des lasers, en particulier dans les lasers CO2 haute puissance, où les tiges de quartz peuvent résister à une énergie laser extrêmement forte sans dommage.

Dans les systèmes de communication par fibre optique, des tiges de verre de quartz de très haute pureté sont étirées avec précision pour former des préformes de fibre optique, qui constituent la matière première principale pour la fabrication de fibres optiques de communication. Dans la fabrication d'instruments optiques, les tiges de quartz sont transformées en diverses lentilles, prismes et fenêtres optiques, largement utilisés dans les équipements optiques de haute précision tels que les spectromètres et les microscopes.

L'industrie des semi-conducteurs est particulièrement dépendante des tiges de verre de quartz. Au cours du processus de fabrication des plaquettes, les tiges de quartz sont transformées en différentes formes de supports de plaquettes, de tubes de diffusion et de composants de chambre de réaction. Ces composants doivent résister à l’environnement à haute température du processus de fabrication des semi-conducteurs et doivent garantir qu’aucune impureté contaminante n’est introduite.

Dans la technologie avancée de lithographie ultraviolette extrême (EUV), les composants optiques en verre de quartz sont devenus la clé pour atteindre une précision lithographique de niveau nanométrique en raison de leur coefficient de dilatation thermique extrêmement faible et de leur excellente uniformité optique. En outre, les tiges de verre de quartz sont également largement utilisées dans les fenêtres d'observation, les conduites de distribution de gaz et d'autres pièces d'équipements semi-conducteurs en raison de leur inertie chimique.

L'industrie chimique utilise pleinement la résistance à la corrosion des tiges de verre de quartz . Dans les réacteurs chimiques soumis à des environnements fortement acides, les fenêtres d'observation en quartz peuvent résister pendant longtemps à diverses érosions acides fortes, à l'exception de l'acide fluorhydrique. Les conduites de distribution de produits corrosifs, les agitateurs et autres composants de la production chimique sont également souvent fabriqués en verre de quartz.

Il convient particulièrement de mentionner que dans les expériences de réactions chimiques à haute température et haute pression, les cuves de réaction en quartz peuvent résister à la fois à des températures et à des environnements chimiques difficiles, offrant ainsi des conditions expérimentales fiables aux chercheurs. Le verre de quartz fonctionne bien mieux que le verre ordinaire et la plupart des matériaux métalliques dans ces applications.

Ces dernières années, les matériaux en verre de quartz ont été de plus en plus utilisés dans le domaine médical et sanitaire. En termes d'équipement médical, les tiges de quartz sont utilisées pour fabriquer des composants de transmission optique d'endoscopes, des éléments de guidage de lumière d'instruments chirurgicaux laser, etc. Son excellente biocompatibilité garantit que ces instruments peuvent être utilisés en toute sécurité pour le traitement humain.

Dans les équipements de désinfection aux ultraviolets, des tiges de verre de quartz à haute transmission sont utilisées comme matériaux de lampe pour maximiser l'efficacité de la stérilisation. De plus, dans certains instruments de tests médicaux de précision, des éléments optiques à quartz garantissent l’exactitude des résultats des tests.

La demande de tiges de verre de quartz dans le domaine de la recherche scientifique et de l'expérimentation est également fort. Dans les expériences de physique des hautes énergies, les tiges de quartz sont utilisées comme composants importants des détecteurs de rayonnement Tchérenkov. Dans la recherche en science des matériaux, les creusets et les réacteurs en quartz offrent un environnement idéal pour la synthèse de matériaux à haute température.

Dans le domaine des sciences spatiales, la résistance aux radiations du verre de quartz en fait le matériau privilégié pour les systèmes optiques des engins spatiaux. Ces applications de recherche scientifique haut de gamme ont souvent des exigences extrêmes en matière de propriétés des matériaux, et les tiges de verre de quartz peuvent toujours accomplir cette tâche de manière excellente.