Быстрое руководство по трем видам кварцевого стекла: прозрачный, молочный и черный

Знаете ли вы, что кварцевое стекло обычно делят на две основные категории в зависимости от его внешнего вида и свойств светопередачи:прозрачное кварцевое стеклоине прозрачное кварцевое стекло? Эта классификация отражена в промышленной практике и соответствующих стандартах, таких как JC/T 2205 2014 и GB/T 42800 2023.

В чем разница между прозрачным кварцем, молочным кварцем и черным кварцем?

Хотя все три материала принадлежат к семейству аморфного кремния,Различия в их микроскопической структуре и составе дают им совершенно разные возможности управления светом и теплом..

Проще говоря:

• Чистый кварцдействует как оптическое окно, которое передает свет и излучающую энергию.
• Молочный кварцФункционирует как барьер от теплового излучения, отражающий и изолирующий.
• Черный кварцслужит материалом для теплового управления, который поглощает излучение и улучшает равномерность температуры.

1Внешний вид и микроструктура: роль пузырей и допингов

1.1 Чистый кварц

Прозрачное кварцевое стекло имеет плотную внутреннюю структуру с чрезвычайно низким уровнем пузырей и примесей.что означает лишь несколько частей на миллиард.

Его отличная оптическая однородность и чрезвычайно низкая плотность дефектов обеспечивают основу для его использования в точной оптике, производстве полупроводников и высокочистом лабораторном оборудовании.

1.2 Млечный непрозрачный кварц

Млечный вид непрозрачного кварца в основном создается большим количеством равномерно распределенных микроновых пузырей внутри материала.

Когда свет попадает в кварц, он сильно рассеивается и отражается на интерфейсах между пузырями и матрицей кремния.Это прерывает прямой путь передачи и придает материалу свой характерный молочно-белый, непрозрачный внешний вид.

Молочный кварц обычно изготавливается из высокочистого кварцевого песка в сочетании с контролируемым количеством пенообразующего агента.

1.3 Черный кварц

Черный кварц имеет темно-черный вид и по существу непрозрачен.

Он обычно производится путем точного допирования кварцевого сырья такими компонентами, как элементарный кремний или TiO2.Эти допанты создают специализированную микроструктуру с высокой оптической абсорбцией в выбранных диапазонах длин волн, что позволяет материалу поглощать падающий свет, а не передавать или отражать его.

2Различия в оптической и тепловой производительности

Три типа кварцевого стекла ведут себя очень по-разному в оптической и тепловой среде.и механизмы теплового управления.

2.1 Трансмиссия света и оптическая абсорбция

Чистый кварц:
Чистый кварц обеспечивает высокую проницаемость в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.или передачи радиационной энергии.

Молочный кварц:
Млечный кварц - это материал, способный сильно рассеивать свет. Его способность рассеиваться зависит прежде всего от размера пузыря, плотности пузыря и толщины материала.

Черный кварц:
Черный кварц, по существу, не передает свет и имеет высокую скорость оптической абсорбции.Некоторые изделия из черного кварца толщиной 3 мм могут поглощать более 95% излучения от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона средней волны.

2.2 Механизмы управления теплом

Чистый кварц:
Прозрачный кварц имеет теплопроводность примерно 1,4 Вт/мк. Он подходит для применений, в которых через материал необходимо пропускать как свет, так и излучение тепла.

Молочный кварц:
Млечный кварц уменьшает передачу радиационного тепла путем рассеивания и отражения инфракрасного излучения через его внутренние микропузырьки.тепловые щиты, и радиационные барьеры.

Черный кварц:
Теплопроводность черного кварца составляет примерно 1,65 Вт/мк, что остается низким показателем по сравнению с металлами и многими конструктивными материалами.Он также имеет высокую оптическую абсорбцию и высокую тепловую эмиссивность.

Сочетание высокой абсорбции, высокой эмиссивности и относительно низкой теплопроводности позволяет черному кварцу поглощать падающее излучение и перераспределять энергию посредством теплового излучения.помогает улучшить равномерность температуры и уменьшить локальные горячие точки.

3. Термостойкость и чистота

3.1 Термостойкость

В целом, температурная стойкость трех материалов может быть обобщена следующим образом:

Черный кварц > Чистый кварц ≥ Молочный кварц

Черный кварц:
Точка смягчения некоторых специально допированных материалов из черного кварца может достигать приблизительно 2000°C. В полупроводниковом теплообрабатывающем оборудовании черный кварц используется для покрытий нагревательных элементов,защитные пластинки, опоры для пластин и другие компоненты, подверженные чрезвычайно высоким температурам и интенсивному тепловому излучению.

Чистый кварц:
Рекомендуемая длительная рабочая температура обычно составляет около 1100°C, в то время как краткосрочная температура воздействия может достигать примерно 1200°C.

Когда кварцевое стекло постоянно подвергается воздействию температуры выше 1100°C, риск кристаллизации и девитрификации значительно возрастает.Следовательно, следует избегать длительной работы с температурой выше рекомендуемой..

Молочный кварц:
Матрица кремния молочного кварца похожа на кварц прозрачный, однако, поскольку материал содержит много микропузырей,Быстрое нагревание и охлаждение может создать концентрированное тепловое напряжение вокруг пузырей, увеличивая вероятность трещин.

Поэтому его долгосрочная температурная стойкость и тепловые показатели, как правило, ниже, чем у высококачественного прозрачного кварца и черного кварца.

В фотоэлектрическом и полупроводниковом оборудовании основное значение молочного кварца заключается не только в том, что он блокирует видимый свет, а также в том, что он выдерживает более высокие температуры.Его основная функция - отражать инфракрасное излучение, излучаемое нагревательной камерой..

При использовании в изоляционных панелях, розетках печей и фланцах реакционных камер молочный кварц действует как физический тепловой щит.

3.2 Чистота

Общий рейтинг чистоты:

Чистый кварц > Черный кварц > Молочный кварц

Чистый кварц:
Чистота кремниевого стекла прозрачного кварца обычно колеблется от 99,99% до 99,9999%.некоторые высокочистые синтетические кварцевые изделия могут достигать концентрации примесей на уровне ppb.

Черный кварц:
Хотя функциональные компоненты, такие как элементарный кремний и TiO2, преднамеренно вводятся в черный кварц, они являются контролируемыми допантами процесса, а не неконтролируемыми примесями.В некоторых продуктах, содержание примесей может быть сохранено ниже 17,5 ppm.

Молочный кварц:
Поскольку пенообразующие агенты используются для создания большого количества пузырей микроразмера, контроль общего количества примесей является более сложным.совокупное содержание примесей может поддерживаться на уровне 30 ppm или ниже.

4Производственные процессы

Чистый кварц

Прозрачный кварц может быть изготовлен из высокочистого кварцевого песка или синтетического кремния.

Общие методы производства включают электрическое слияние, пламенное слияние и химическое отложение пара с использованием тетрахлорида кремния в качестве предшественника.

Выбранное сырье и производственный процесс напрямую влияют на чистоту, содержание гидроксила, концентрацию пузырей, спектральную передачу и производительность при высоких температурах.

Млечный кварц

Молочный кварц обычно производится из высокочистого кварцевого песка в сочетании с пенообразующим агентом.

Во время производства размер, количество и распределение пузырей должны быть точно контролированы, чтобы достичь требуемой непрозрачности, инфракрасной отражательности и теплоизоляции.

Черный кварц

Черный кварц получают путем точного добавления функциональных красителей или светопоглощающих компонентов к кварцевому сырью, после чего происходит электрическое слияние или синтерирование в специально контролируемой атмосфере.

Контролируя состав допанта, температуру обработки и атмосферу печи, производители могут достичь стабильного черного вида, высокой оптической абсорбции,и надежная высокотемпературная производительность.

5Применение: Различные материалы для различных промышленных целей

Чистый кварц: основной материал для оптики и производства полупроводников

Чистый кварц широко используется в:

• оптические компоненты, такие как окна астрономических телескопов, окна высокотемпературного обзора и ультрафиолетовые окна;
• Полупроводниковое фотолитографическое, диффузионное и теплообрабатывающее оборудование;
• Диффузионные трубы и процессовые трубы из кварца;
• Преформы из оптических волокон;
• Высокочистые лабораторные реакторы и сосуды.

Он может быть изготовлен в трубы, пластины, стержни, кольца, лодки, фланцы, сосуды и сложные индивидуальные компоненты, обеспечивая значительную гибкость конструкции.

Млечный кварц - важный материал для теплоизоляции

Молочный кварц обычно используется в:

• Изоляционные панели реакционной камеры для полупроводникового и фотоэлектрического оборудования;
• Кварцевые фланцы, розетки печей и изоляционные кольца;
• Инфракрасно-отражающие компоненты в высокотемпературном оборудовании;
• Выбранные тепловые трубы, теплообменные трубы и изоляционные конструкции, используемые в химическом и металлургическом оборудовании.

Черный кварц: специалист по термическому управлению и радиационной защите

Черный кварц обычно используется в:

• Покрытия нагревательных элементов в фотоэлектрическом и полупроводниковом теплообрабатывающем оборудовании;
• высокотемпературные защитные пластины и подложки для пластин;
• Системы высокопроизводительного инфракрасного отопления;
• защитные покрытия от лазера и интенсивного света;
• Компоненты, блокирующие свет, в оптико-волоконных соединителях и оптических системах.

Прозрачный и молочный кварц имеют относительно хорошо установленные системы стандартизации.по-прежнему в основном оценивается в соответствии с внутренними стандартами производителей и специальными техническими соглашениями для применения..

Чистый кварц

Прозрачное оптическое кварцевое стекло может быть классифицировано и оценено в соответствии с JC/T 185?? 2013;Оптическое кварцевое стекло.

Основываясь на характеристиках спектральной передачи:

• JGS1предназначен главным образом для высокой передачи в дальнем ультрафиолетовом регионе.
• JGS2охватывает ультрафиолетовые и видимые области и, как правило, обеспечивает благоприятный баланс между производительностью и стоимостью.
• JGS3предназначен главным образом для применения в ближнем инфракрасном диапазоне.

Продуктивность передачи прозрачных кварцевых труб может оцениваться с использованием кривых спектральной передачи, в которых JGS2 обычно представляется зеленой линией.

Некоторые традиционные молочные кварцевые изделия продолжают ссылаться на JC/T 182 – 1997.

Черный кварц

Поскольку черный кварц имеет высокий порог изготовления и требования к применению значительно различаются с точки зрения поглощения, эмиссивности, чистоты и высокотемпературных характеристик,пока не установлен специальный единый национальный стандарт.

На практике продукция обычно оценивается в соответствии с корпоративными стандартами крупных поставщиков, таких как Heraeus, включая серию HBQ®, Feilihua и Pacific Quartz,или согласно техническим спецификациям, разработанным для конкретного оборудования и условий эксплуатации.

Заключение: Какой тип выбирать?

Выбор подходящего кварцевого стекла - это, по сути, процесс точного управления светом и теплом.

• Выберитепрозрачный кварцкогда требуется высокая светопередача, низкая оптическая абсорбция и отличная оптическая однородность.
• Выберитемолочный кварцкогда основными требованиями являются блокировка света, отражение теплового излучения и теплоизоляция.
• Выберитечерный кварцкогда требуется поглощение излучения, улучшение равномерности температуры и оптическая или тепловая защита.

Ни один из трех материалов не является универсально превосходным. Правильный выбор зависит от того, насколько хорошо свойства материала соответствуют фактической рабочей среде.