Thủy tinh thạch anh chỉ bao gồm silicon dioxide và mô hình cấu trúc được chấp nhận rộng rãi hiện nay là mô hình mạng ngẫu nhiên liên tục (CRN). Trong mô hình này, các nguyên tử Si và O tạo thành cấu trúc tứ diện O ba{1}}Si{2}}gần như hoàn hảo. Sơ đồ minh họa cấu trúc vi mô phẳng của thủy tinh thạch anh có độ tinh khiết cao-và sự sắp xếp không gian của nó được thể hiện trong hình. Liên kết hóa học Si-O có năng lượng liên kết cao và độ dài liên kết ngắn, dẫn đến cấu trúc không gian rất nhỏ gọn. Do tính toàn vẹn và chặt chẽ của cấu trúc mạng vi mô, thủy tinh thạch anh có độ tinh khiết cao-thể hiện một loạt đặc tính toàn diện tuyệt vời và độc đáo, chẳng hạn như độ truyền quang vượt trội, khả năng chống bức xạ, độ ổn định nhiệt và độ ổn định hóa học.
Lịch sử chế tạo thủy tinh thạch anh bắt đầu từ năm 1839, khi người Pháp Gandin sản xuất thành công một mảnh thủy tinh thạch anh mờ đục bằng cách làm tan chảy cát thạch anh bằng ngọn lửa hydro{1}}oxy. Kể từ đó, các nước trên thế giới đã tích cực tham gia nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất thủy tinh thạch anh. Các phương pháp sản xuất mới đã xuất hiện, quy trình sản xuất liên tục được cải tiến và ngành công nghiệp này đã có sự tăng trưởng nhanh chóng.
Phương pháp tinh chế khí bao gồm việc sử dụng ngọn lửa hydro{0}}oxy để làm tan chảy thạch anh tự nhiên, sau đó lắng dần vật liệu nóng chảy lên bề mặt của tấm bia thủy tinh thạch anh để thu được thỏi thủy tinh thạch anh. Nguyên liệu thô cho cả phương pháp nấu chảy bằng điện và phương pháp lọc khí là cát thạch anh. Thủy tinh thạch anh có độ tinh khiết cao-có yêu cầu rất nghiêm ngặt đối với cát thạch anh, nhưng nguồn quặng thạch anh có độ tinh khiết cao-trên toàn cầu chủ yếu nằm ở các quốc gia như Hoa Kỳ, Na Uy và Úc. Trung Quốc là nước tiêu thụ chính cát thạch anh có độ tinh khiết cao, nhưng nguồn quặng thạch anh có độ tinh khiết cao chủ yếu dựa vào nhập khẩu. Mức độ phụ thuộc cao vào nhập khẩu nguyên liệu thô có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của phát triển công nghiệp. Vì vậy, việc phát triển quy trình điều chế thủy tinh thạch anh tổng hợp là đặc biệt quan trọng.
Quá trình điều chế thủy tinh thạch anh tổng hợp chủ yếu bao gồm lắng đọng hơi hóa học (Lắng đọng hơi hóa học, CVD), lắng đọng hơi hóa học plasma (PCVD), phương pháp lắng đọng hơi hóa học gián tiếp và phương pháp sol{0}}gel.
Thủy tinh thạch anh cũng có thể được phân loại thành thủy tinh thạch anh mờ và thủy tinh thạch anh trong suốt dựa trên độ trong suốt của nó:
Thủy tinh thạch anh mờ đục chứa một số lượng lớn các bong bóng nhỏ và các hạt phân tán khác, tạo nên vẻ ngoài mờ đục hoặc nửa mờ. Nó có thể được sử dụng để sản xuất lò phản ứng tổng hợp, kính quang học và nồi nấu kim loại nấu chảy-silicon đơn tinh thể.
Thủy tinh thạch anh trong suốt chứa một số lượng nhỏ các điểm tán xạ bong bóng, thường được biểu thị bằng ppm. Các điều kiện chuẩn bị cho thủy tinh thạch anh trong suốt nghiêm ngặt hơn so với thủy tinh thạch anh mờ và nó có phạm vi ứng dụng rộng hơn. Đây là vật liệu quan trọng để chuẩn bị-các thành phần quang học chất lượng cao.
Hiệu suất của thủy tinh thạch anh có liên quan chặt chẽ đến độ tinh khiết hóa học của nó, điều này bị ảnh hưởng bởi nguyên liệu thô và quá trình chuẩn bị. Các khuyết tật phổ biến trong thủy tinh thạch anh có thể được chia thành hai loại: khuyết tật cấu trúc và khuyết tật vĩ mô. Như thể hiện trong hình, trong quá trình phát triển của tinh thể thạch anh tự nhiên, chắc chắn sẽ tạo ra nhiều khuyết tật khác nhau. Trong quá trình chuẩn bị các sản phẩm thủy tinh, do những hạn chế của quá trình chuẩn bị và môi trường vận hành, nhiều tạp chất khác nhau có thể được đưa vào, có thể tạo ra ứng suất dư và do đó có thể xảy ra các khiếm khuyết về cấu trúc và khiếm khuyết vĩ mô. Các khiếm khuyết về cấu trúc của thủy tinh thạch anh là do tạp chất đưa vào lưới nguyên tử Si-O, chủ yếu bao gồm tạp chất kim loại và nhóm hydroxyl: Tạp chất kim loại chủ yếu đến từ cát thạch anh và các tạp chất kim loại như Fe và Cr có thể dẫn đến sự suy giảm hấp thụ. Các nhóm hydroxyl trong thủy tinh thạch anh thường đến từ ngọn lửa oxy-hydro. Các nhóm hydroxyl sẽ ảnh hưởng đến độ ổn định của liên kết Si{8}}O, làm giảm độ ổn định hóa học của thủy tinh thạch anh, thúc đẩy xuất hiện hiện tượng kết tinh, đồng thời, các nhóm hydroxyl sẽ làm tăng sự suy giảm quang học ở các vùng bước sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại trung. Các dải hấp thụ rung động của liên kết Si{12}}OH ở các bước sóng cụ thể như 2,72, 1,39 và 0,9 μm sẽ ảnh hưởng đến ứng dụng của thủy tinh thạch anh trong lĩnh vực sợi quang và laser.
Các khuyết tật vĩ mô của thủy tinh thạch anh chủ yếu bao gồm bong bóng, tạp chất, sọc và vết nứt, v.v. Những khuyết tật này thường xảy ra do nguyên liệu thô không đủ độ tinh khiết hoặc quá trình chuẩn bị không đúng cách. Độ nhớt của thạch anh ở trạng thái nóng chảy cao và các bong bóng bên trong khó tự thoát ra ngoài. Nếu quá trình nấu chảy không nghiêm ngặt, cũng có thể xảy ra hiện tượng nguyên liệu thô bên trong chưa tan chảy hoàn toàn trước khi bị thạch anh nóng chảy bao bọc trên bề mặt. Đồng thời, thủy tinh thạch anh là chất dẫn nhiệt kém. Trong quá trình làm mát, nhiệt độ thay đổi ở bề mặt và bên trong không nhất quán, tạo thành gradient nhiệt độ lớn, tạo ra ứng suất nhiệt và ứng suất nhiệt quá mức thậm chí có thể gây ra nứt cục bộ. Việc giảm các khuyết tật khác nhau bên trong thủy tinh thạch anh và đảm bảo tính chất quang học tuyệt vời của nó là rất quan trọng.
Trong quá trình điều chế thủy tinh thạch anh bằng phương pháp CVD gián tiếp, một mặt, các hợp chất chứa-silicon{1}}có độ tinh khiết cao được sử dụng để giảm hàm lượng tạp chất kim loại. Mặt khác, quá trình thiêu kết được sử dụng để khử hydroxyl, làm giảm hiệu quả nồng độ hydroxyl của thủy tinh thạch anh, làm cho nó có hiệu suất truyền tia cực tím sâu vượt trội hơn, với ngưỡng chống lại sự phá hủy của tia laser cao hơn và tăng cường hơn nữa các đặc tính quang học của nó.
Tuy nhiên, khi thủy tinh thạch anh được nung ở nhiệt độ cao rồi làm nguội đến nhiệt độ phòng sẽ tạo ra ứng suất nhiệt và ứng suất bên trong không đồng đều sẽ ảnh hưởng đáng kể đến tính chất quang học của sản phẩm. Sự phân bố ứng suất không đồng đều sẽ làm cho chiết suất của các vùng khác nhau của thủy tinh thạch anh thay đổi, dẫn đến sự thay đổi đường quang và cường độ ánh sáng của ánh sáng truyền qua thủy tinh thạch anh, tạo ra sự khúc xạ và tán xạ không đều, đồng thời làm giảm tính đồng nhất quang học của sản phẩm. Đồng thời, hiệu ứng lưỡng chiết do ứng suất gây ra sẽ làm cho mặt sóng của chùm ánh sáng bị biến dạng. Trong các thiết bị laser công suất cao, sự biến dạng của mặt sóng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của chùm tia laser và ứng suất bên trong cũng có thể dẫn đến giảm khả năng chống hư hại do tia laser của thủy tinh thạch anh, làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy của nó.
Đối với các thiết bị dẫn sóng quang học như cách tử dẫn sóng mảng, laser, bộ lọc điều chỉnh được, v.v., hiện tượng lưỡng chiết ứng suất cũng là một vấn đề không thể bỏ qua. Do hiệu ứng lưỡng chiết ứng suất, đặc tính lan truyền của ánh sáng bị thay đổi, gây ra sự dịch chuyển phân cực và mất-phụ thuộc phân cực. Khu vực bị căng thẳng thậm chí có thể thay đổi hình dạng chế độ của thiết bị ống dẫn sóng quang, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và độ ổn định của thiết bị.
Bằng cách kiểm soát ứng suất trong thủy tinh thạch anh, công ty chúng tôi có thể tránh tạo ra các khuyết tật nghiêm trọng như nứt, đảm bảo tính chất quang học tuyệt vời của nó, từ đó cải thiện năng suất và độ tin cậy của thủy tinh thạch anh, đồng thời cho phép nó đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng quang học khác nhau và đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp
