elektrisch, met de vlam, in een plasma of met een elektrische vlamboog. De grondstof kan natuurlijk kwartszand SiO2 of synthetisch siliciumtetrachloride (SiCl4) zijn. Uit de combinatie van productiemethoden en grondstoffen ontstaan de zes hoofdsoorten van ons kwartsglas: EN (elektrisch gesmolten natuurlijke kwarts); FN-serie (met de vlam gesmolten natuurlijke kwarts); PN-serie (met plasma gesmolten natuurlijke kwarts); FS-serie (met de vlam gesmolten synthetische kwarts); PS (met plasma gesmolten synthetische kwarts) serie; AN-serie (elektrisch gesmolten natuurlijke kwarts).
Elektrische fusie is het meest gebruikte smeltproces voor de productie van kwartsglas. Dit proces maakt gebruik van verwarmingsweerstanden om natuurlijk kwartszand te smelten in buizen van kwartsglas, staven, blokken, enz. Er zijn twee methoden voor elektrische fusie, continue fusie en batch-fusie. In het continue proces wordt kwartszand continu gegoten in het bovenste deel van een wolfraam kroes omgeven door elektrische verwarmingselementen. De binnenkroes wordt in een neutrale of enigszins reducerende atmosfeer gehouden die ervoor zorgt dat silica niet reageert met het vuurvaste metaal terwijl het siliciumdioxide binnenin wordt gesmolten. Het gesmolten kwarts vloeit via de gietmond aan de onderkant van de kroes naar buiten en wordt zo tot een buis, staaf enzovoort gevormd. Het OH gehalte kan worden gereduceerd door gloeien. Bij het batch-fusieproces worden verscheidene tonnen grondstofmateriaal geplaatst in een vuurvaste vacuümkamer die verwarmingselementen uit grafiet bevat om buizen, staven enzovoorts te produceren. De OH is meestal minder dan 2 ppm. Door de lage OH-waarde heeft elektrisch gesmolten kwartsglas een hoge transmissie in het infrarode gebied. Het elektrisch gesmolten kwartsglas heeft gewoonlijk bepaalde bellen en treklijnen op het glasoppervlak.
Vlamsmelten is een proces met twee stappen. Het eerste proces is het natuurlijke kwartszand of synthetische SiC14 smelten met een waterstof / zuurstof (H2/O2) vlam tot een solide ronde staaf. Het tweede proces is om de ingots verder vorm te geven in verschillende vormen en afmetingen. Vlam gesmolten kwartsglas bevat een overvloedige hoeveelheid hydroxyl (OH) als gevolg van het directe contact tussen de H2/O2 en het ruwe siliciumdioxide materiaal. Dit OH-gehalte kan niet worden verminderd door gloeien en de aanwezigheid ervan verlaagt de viscositeit en de infraroodtransmissie. Het met de vlam gesmolten kwarts heeft geen treklijnen en een zeer laag gehalte aan luchtbellen.
Plasmafusie is ook een proces met twee stappen. Het eerste proces is het smelten van het natuurlijke kwartszand of synthetisch SiCl4 in een plasmavlam tot een massieve ronde staaf. Het tweede proces is om de ingots verder te vormen in verschillende vormen en afmetingen. Plasma gesmolten kwarts heeft een lage OH-waarde van gewoonlijk minder dan 5 ppm, dus het heeft een goede infraroodtransmissie. Het met plasma gefuseerde kwarts heeft een zeer laag gehalte aan luchtbellen en heeft geen treklijn.
Smelten met elektrische vlamboog is een veel gebruikte proces voor de productie van smeltkroezen die gebruikt worden voor het laten groeien van monokristallijne siliciumstaven.
Verschillende soorten kwartsglas
Gesmolten silica
Kwarts platen en ingots
Een van de meest aantrekkelijke kenmerken van kwartsglas is de zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt (UC). De gemiddelde UC-waarde voor kwartsglas bij ongeveer 5,0 x 10-7/°C is vele malen lager dan die van andere gebruikelijke materialen. Om dit in perspectief te plaatsen, stel je voor dat 13 blokken roestvrij staal, borosilicaatglas en kwartsglas in een oven werden geplaatst en verwarmd tot 500 °C. Het volume van het roestvrijstalen blok zou met meer dan 28 liter en dat van het blok in borosilicaatglas met 5 liter toenemen. Het kwartsblok zou met minder dan één liter uitzetten. Een dergelijke lage uitzetting maakt het mogelijk dat het materiaal bestand is tegen zeer ernstige thermische schokken.
Het is mogelijk om zonder te breken, snel dunne stukken kwartsglas te koelen van meer dan 1000 °C tot kamertemperatuur door ze in koud water te dompelen. Het is echter belangrijk om te beseffen dat de thermische schokbestendigheid afhangt van andere factoren dan de UC, zoals de oppervlaktetoestand (die sterkte definieert) en de geometrie. De verschillende soorten gesmolten siliciumdioxide en gesmolten kwarts hebben vrijwel identieke UC’s en kunnen dus worden samengevoegd zonder een verhoogd risico op thermisch geïnduceerde breuk.
Technische eigenschappen | Elektrisch gesmolten kwartsglas | Vlam gesmolten kwartsglas | Gesmolten Silica | |
Thermische data (°C) | Verwekingspunt Ontspanningstemperatuur, hoog Ontspanningstemperatuur, laag Max. bedrijfstemperatuur continu> Max. bedrijfstemperatuur korte duur |
1710 1220 1125 1100 1300 |
1660 1160 1070 1110 1250 |
1600 1100 1000 950 1200 |
Gemiddelde soortelijke warmte (J/kg · K) |
0 …100 °C 0 …500 °C 0 …900 °C |
772 964 1052 |
772 964 1052 |
772 964 1052 |
Warmtegeleidings-vermogen (W/m · K) |
20 °C 100 °C 200 °C 300 °C 400 °C 950 °C |
1.38 1.47 1.55 1.67 1.84 2.68 |
1.38 1.47 1.55 1.67 1.84 2.68 |
1.38 1.47 1.55 1.67 1.84 2.68 |
Gemiddelde lineaire uitzettings- coëfficiënt (K–1) |
0 …100 °C 0 …200 °C 0 …300 °C 0 …600 °C 0 …900 °C – 50 …0 °C |
5.1 × 10 –7 5.8 × 10 -7 5.9 × 10 -7 5.4 × 10 -7 4.8 × 10 -7 2.7 × 10 -7 |
5.1 × 10 -7 5.8 × 10 -7 5.9 × 10 -7 5.4 × 10 -7 4.8 × 10 -7 2.7 × 10 -7 |
5.1 × 10 –7 5.8 × 10 -7 5.9 × 10 -7 5.4 × 10 -7 4.8 × 10 -7 2.7 × 10 -7 |