چگالی کوارتز ذوب شده 2.2 گرم بر سانتی متر³: خواص و راهنمای خرید برای خریداران

مهندسي كه يك خط كوره را براي فرآيند ويفر جديد آماده مي‌كند معمولاً با دو سؤال باز مي‌شود: درجه خلوص در دسترس است و سنگين بودن ظروف كوارتز. سوال دوم به ندرت در برگه داده به عنوان یک مشخصات رسمی ظاهر می شود، اما هر وسیله جابجایی، حد بالابر، برنامه گرمایش، و محاسبه جرم حرارتی به آن بستگی دارد. پاسخ به چگالی کوارتز ذوب شده است، مقداری که معمولاً 2.2 گرم بر سانتی‌متر مکعب نوشته می‌شود و معمولاً به عنوان یک ثابت طبیعی ثابت در نظر گرفته می‌شود. در حقیقت، چگالی اثر انگشت حساس به فرآیند شیشه است که تحت تأثیر مسیر تولید، محتوای هیدروکسیل، ناخالصی‌های کمیاب و تاریخچه حرارتی قرار می‌گیرد. هنگامی که یک تامین کننده کوارتز ذوب شده با تجربه از 2.20 تا 2.21 گرم بر سانتی متر مکعب برای شیشه کوارتز شفاف نقل می کند، این محدوده باریک در حال حاضر چیزهای زیادی در مورد پایداری ذوب و نظم بازپخت به خریدار می گوید. این راهنما توضیح می‌دهد که چگالی کوارتز ذوب شده واقعاً به چه معناست، چقدر می‌تواند در درجه‌ها متفاوت باشد، چگونه آن را اندازه‌گیری کنیم، چرا در کاربردهای نیمه‌رسانا، نوری، گرمایش، و آزمایشگاهی اهمیت دارد و چگونه تیم‌های خرید باید از آن در هنگام مقایسه یک سازنده، تامین‌کننده یا عمده‌فروش شیشه کوارتز استفاده کنند.

نتیجه گیری کوتاه این است: تنها با شماره واحد "2.2 گرم بر سانتی متر³" خرید نکنید. یک تولید کننده مسئول شیشه کوارتز محدوده چگالی، روش آزمایش و گواهی تجزیه و تحلیل را ارائه می دهد. تفاوت عملی بین 2.18 و 2.23 گرم بر سانتی‌متر مربع در یک لوله انتشار بزرگ می‌تواند وزن قطعه را بیش از یک کیلوگرم تغییر دهد، جذب گرما را در حین افزایش سرعت تغییر دهد، و گاهی اوقات نشان‌دهنده تاریخچه حرارتی کنترل‌نشده‌ای است که بعداً در سرویس به صورت افتادگی یا devitrification نشان می‌دهد.

چگالی کوارتز ذوب شده چیست و چرا خریداران باید به آن اهمیت دهند؟

چگالی جرم تقسیم بر حجم است. برای شیشه های متراکم و غیر متخلخل مانند کوارتز ذوب شده، چگالی نظری توسط ساختار اتمی تعیین می شود. کوارتز ذوب شده دی اکسید سیلیکون آمورف است. این فرمول شیمیایی مشابه کوارتز کریستالی، SiO2 است، اما اتم ها به جای شبکه کریستالی مرتب در یک شبکه تصادفی و نامنظم قرار گرفته اند. از آنجا که آن شبکه تصادفی نمی تواند اتم ها را به اندازه یک کریستال بسته بندی کند، سیلیس آمورف به طور قابل اندازه گیری چگالی کمتری دارد. آلفا کوارتز کریستالی دارای چگالی حدود 2.65 گرم بر سانتی متر مکعب است، در حالی که چگالی کوارتز ذوب شده نزدیک به 2.20 گرم بر سانتی متر مکعب است. این تفاوت تقریباً 17 درصدی یک نقص نیست. این نتیجه مستقیم ساختار شیشه ای است که به کوارتز ذوب شده انبساط حرارتی کم و مقاومت در برابر شوک حرارتی فوق العاده می دهد.

خریداران مقدار بیان شده در چندین سیستم واحد را می بینند و ارزش آن را دارد که بدانیم چگونه آنها را تبدیل می کنند. یک گرم بر سانتی‌متر مکعب برابر با 1000 کیلوگرم بر متر مکعب است، بنابراین رقم آشنای چگالی کوارتز ذوب شده 2.2 گرم بر سانتی‌متر مکعب برابر با 2.2 × 10³ کیلوگرم بر متر مکعب است. در واحدهای امپراتوری، این معادل 137.4 پوند بر فوت³ است. بنابراین، یک صفحه کوارتز با ابعاد 300 × 300 × 10 میلی‌متر دارای حجم 900 سانتی‌متر مربع و جرم محاسبه‌شده تقریباً 1.98 کیلوگرم است که چگالی آن 2.20 گرم بر سانتی‌متر است. همان صفحه با 2.24 گرم بر سانتی‌متر مربع وزنی در حدود 2.02 کیلوگرم دارد، و در حالی که تفاوت 40 گرمی در دفتر نقشه‌کشی بی‌اهمیت به نظر می‌رسد، زمانی که ده‌ها قطعه بزرگ روی یک قفسه کنسول کنسولی در داخل یک کوره نصب می‌شوند، قابل توجه می‌شود.

چرا یک متخصص تدارکات باید به تفاوت توجه کند؟ اول، وزن بر هزینه حمل و نقل، وسایل حمل و نقل و اندازه بازوهای رباتیک مورد استفاده برای بارگیری قایق‌های کوارتز و بوته‌ها تأثیر می‌گذارد. ثانیاً، چگالی با آرامش ساختاری در شیشه ارتباط دارد: یک جزء که به سرعت از دمای بالا خاموش شده است، می تواند چگالی کمی کمتر از یک جزء به آرامی بازپخت با ترکیب شیمیایی یکسان داشته باشد. سوم، یکنواختی چگالی در اپتیک دقیق اهمیت دارد، زیرا تغییرات چگالی موضعی تغییرات ضریب شکست موضعی ایجاد می‌کند. هنگامی که یک خریدار از یک تامین کننده مقدار چگالی و روش استفاده شده برای بدست آوردن آن را می پرسد، آن سوال واحد تعداد شگفت انگیزی از معامله گران فاقد صلاحیت را که هرگز یک نمونه را زیر آب وزن نکرده اند، فیلتر می کند.

چگالی کوارتز ذوب شده در مقابل سایر مواد: یک مقایسه عملی

چگالی اغلب اولین معیار مرتب‌سازی است که مهندس هنگام انتخاب مواد برای یک جزء نوری یا دمای بالا اعمال می‌کند. کوارتز ذوب شده اغلب با شیشه بوروسیلیکات، شیشه سودا-آهک، سرامیک آلومینا و فولاد ضد زنگ مقایسه می شود زیرا این مواد فضاهای کاربردی همپوشانی را در کوره ها، محفظه لامپ ها، محفظه های خلاء و نیمکت های آزمایشگاهی اشغال می کنند. جدول زیر مقادیر چگالی اسمی را همراه با دو ویژگی که بیشتر از چگالی به تنهایی اهمیت دارند نشان می دهد: ضریب انبساط حرارتی و دمای عملی استفاده مداوم. اگر یک ماده در کوره بیش از حد منبسط شود، می‌تواند سبک باشد، اما بی‌فایده است، و اگر طرح وزن را تحمل کند، می‌تواند متراکم و در عین حال کاملاً قابل قبول باشد.

وقتی تفاوت چگالی در مقیاس ترسیم می شود، خواندن آن آسان تر می شود، بنابراین نمودار زیر همان مواد را با میله های افقی مقایسه می کند. هر نوار متناسب با مقدار چگالی بر حسب گرم بر سانتی‌متر مکعب است، و مقیاس روی 8 گرم بر سانتی‌متر مکعب ثابت می‌شود تا مواد خانواده شیشه‌ای سبک‌تر به‌جای فشرده‌شدن به شکل برش‌های نامرئی، به وضوح جدا شوند.

اولین مشاهدات عملی این است که کوارتز ذوب شده و شیشه بوروسیلیکات دارای مقادیر چگالی تقریباً یکسانی هستند، 2.20 تا 2.21 در مقابل 2.23 g/cm³، با این حال رفتار حرارتی آنها نمی تواند متفاوت باشد. اگر چگالی به تنهایی تعیین می کرد که کدام ماده را برای یک جزء کوره انتخاب کنید، دلیلی برای پرداخت حق بیمه برای شیشه کوارتز وجود نخواهد داشت. عوامل تعیین کننده ضریب انبساط حرارتی و حداکثر دمای استفاده هستند، نه چگالی. کوارتز ذوب شده تقریباً 0.55 × 10-6 در هر درجه کلوین منبسط می شود، تقریباً شش برابر کمتر از شیشه بوروسیلیکات، و همین انبساط کم توانایی کوارتز را برای زنده ماندن در گرمایش و خنک شدن سریع بدون ترک خوردن می دهد. مشاهده دوم مربوط به وزن است. یک صفحه کوارتز ذوب شده با ابعاد 300 × 300 × 10 میلی‌متر حدود 1.98 کیلوگرم وزن دارد، در حالی که همان صفحه از فولاد ضد زنگ حدود 7.2 کیلوگرم وزن دارد و همان صفحه در سرامیک آلومینا حدود 3.35 کیلوگرم وزن دارد. برای پنجره‌های کوارتز بزرگی که در محفظه‌های خلاء استفاده می‌شوند، هر میلی‌متر ضخامت تقریباً 2.2 گرم به ازای هر سانتی‌متر مربع مساحت اضافه می‌کند، بنابراین یک پنجره با قطر 200 میلی‌متر با ضخامت 15 میلی‌متر قبل از اضافه شدن فلنج نصب، بیش از یک کیلوگرم وزن دارد. مشاهده سوم این است که چگالی بالاتر به معنای یک قطعه قوی تر یا پایدارتر از نظر حرارتی نیست. آلومینا حدود 68 درصد سنگین‌تر از کوارتز ذوب شده است، با این حال نرخ انبساط بسیار بالاتر آن را در برابر شوک حرارتی در کوره‌های چرخه سریع آسیب‌پذیرتر می‌کند. در تولید لامپ و گرمایش، چگالی متوسط ​​کوارتز به آن تعادل مفیدی بین پایداری مکانیکی و اینرسی حرارتی کم می‌دهد، به این معنی که لوله‌های کوارتز نازک بدون ذخیره انرژی بیش از حد سریع گرم می‌شوند و سریع سرد می‌شوند. این نمودار همچنین نشان می‌دهد که وزن کوارتز و بوروسیلیکات واقعاً چقدر به هم نزدیک هستند، به همین دلیل است که مشتریان آزمایشگاهی گاهی اوقات نمی‌توانند آنها را به تنهایی تشخیص دهند و باید به گواهی‌های مواد مستند اعتماد کنند. در نهایت، پیام کلی این است که چگالی کوارتز ذوب شده متعلق به خانواده ای از خواص است و بهترین انتخاب ماده با خواندن مشخصات کل ویژگی به جای یک عدد واحد انجام می شود.

چه چیزی چگالی کوارتز ذوب شده را تغییر می دهد؟ متغیرهای فرآیند و تفاوت درجه

اگر کوارتز ذوب شده همیشه SiO2 است، چرا گریدهای مختلف چگالی کمی متفاوت نشان می دهند؟ پاسخ در فیزیک شبکه آمورف نهفته است. سیلیس شیشه ای خالص یک شبکه تصادفی باز و تصادفی از چهار وجهی سیلیکون-اکسیژن است و هر عاملی که اتصال یا بسته بندی آن شبکه را تغییر دهد، چگالی را به مقدار کم اما قابل اندازه گیری تغییر می دهد. دو عامل مهم عبارتند از محتوای هیدروکسیل و تاریخچه حرارتی که ناخالصی ها و آسیب های ساختاری نقش ثانویه دارند.

گروه های هیدروکسیل، که در شیمی شیشه به عنوان Si-OH نوشته شده اند، با جایگزین کردن پیوندهای اکسیژن با گروه های پایانی هیدروکسیل، شبکه سیلیکون-اکسیژن را می شکنند. محتوای OH بالاتر ساختار را باز می کند و در نتیجه چگالی را کاهش می دهد. یک گرید سیلیس ذوب شده با هیدرولیز شعله ای با 800 تا 1000 پی پی ام هیدروکسیل می تواند به طور قابل اندازه گیری چگالی کمتری نسبت به گرید رسوب شده در پلاسما با کمتر از 1 ppm داشته باشد، اگرچه این تفاوت معمولاً فقط در محدوده 0.01 تا 0.02 g/cm³ است. این تغییرات کوچک در اپتیک دقیق اهمیت دارد اما به ندرت در کوارتز افزارهای ساختاری. تاریخچه حرارتی دومین عامل مهم است. هنگامی که شیشه به سرعت از دمای بالا سرد می شود، ساختار بی نظم در دمای خیالی بالاتر "یخ زده" می شود، که حجم آزاد بیشتری باقی می گذارد و چگالی کمی ایجاد می کند. هنگامی که همان شیشه به آرامی آنیل می شود و نزدیک نقطه بازپخت نگه داشته می شود، شبکه به آرایش فشرده تری شل می شود و چگالی افزایش می یابد. به همین دلیل، یک لوله کوره کوارتز که به درستی آنیل شده است ممکن است چگالی نزدیکتر به 2.21 گرم بر سانتی متر مکعب نشان دهد، در حالی که یک قطعه ضعیف یا خاموش شده ممکن است نزدیکتر به 2.19 گرم در سانتی متر مکعب باشد.

روش ساخت نیز نقش دارد. ذوب الکتریکی کریستال کوارتز طبیعی کوارتز شفاف با کیفیت بالا تولید می کند، در حالی که همجوشی شعله با یک مشعل اکسی هیدروژن می تواند سطوح هیدروکسیل بالایی را از بخار آب احتراق ایجاد کند. سیلیس ذوب شده مصنوعی ساخته شده از تتراکلرید سیلیکون در یک هیدرولیز شعله دارای محتوای OH حتی بالاتری است، در حالی که فرآیندهای ذوب مجدد دوده و پلاسما مواد کم OH تولید می کنند. جدول زیر طبقه‌بندی معمولی سبک IUPAC را که به طور گسترده در صنعت استفاده می‌شود، همراه با سطوح و محدوده‌های چگالی معمولی هیدروکسیل خلاصه می‌کند. گریدهای نوری JGS1، JGS2، و JGS3 که در کاتالوگ‌های شیشه کوارتز ساخت چین نشان داده می‌شوند، روی این خانواده‌ها نشان داده می‌شوند: JGS1 معمولاً سیلیس ذوب شده مصنوعی برای کارهای دور فرابنفش است، JGS2 شیشه کوارتز درجه ماوراء بنفش است که از کریستال‌های هیدرولیک با درجه S3 کم ذوب شده است، و دارای محتوای قرمز هیدرولیک کم JGS است.

برای یک خریدار، مفهوم عملی این است که یک مقدار چگالی به تنهایی نمی تواند یک درجه را شناسایی کند، اما یک درجه بدون مقدار چگالی ناقص است. وقتی یک کارخانه نقل می‌کند که دسته‌ای از لوله‌های کوارتز نیمه‌رسانا پس از بازپخت با 0.003 ± 2.201 گرم بر سانتی‌متر مربع اندازه‌گیری شده است، خریدار می‌آموزد که تولیدکننده آرامش ساختاری را درک می‌کند، کوره‌های آنیلینگ را حفظ می‌کند و می‌تواند چگالی را با عملکرد مرتبط کند. در مقابل، تاجری که اصرار دارد که تمام کوارتز ذوب شده دقیقاً 2.2 گرم بر سانتی‌متر مکعب است و هیچ گزارش آزمایشی ارائه نمی‌کند، روند واقعی قابل مشاهده نیست. یک پدیده مرتبط که ارزش دانستن در مورد آن را دارد، تراکم تابش است. نوترون‌های سریع یا تشعشعات شدید می‌توانند سیلیس زجاجیه را تا 3 درصد متراکم کنند، به همین دلیل است که اجزای ویژه مورد استفاده در محیط‌های هسته‌ای و فضایی گاهی با اندازه‌گیری چگالی قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض مشخص می‌شوند. کوره های معمولی و کاربردهای نوری این اثر را نمی بینند، اما یادآوری می کند که چگالی خاصیتی است که به دنیای اطراف خود پاسخ می دهد.

چرا چگالی کوارتز ذوب شده در کاربردهای واقعی اهمیت دارد؟

هنگامی که تئوری روشن شد، سوال بعدی عملیاتی می شود: مقدار چگالی واقعاً کجا تصمیم را تغییر می دهد؟ پاسخ را می توان در چهار خانواده کاربردی دسته بندی کرد که با محدوده محصول تولید کننده شیشه کوارتز معمولی مطابقت دارد: پردازش نیمه هادی و فتوولتائیک، اجزای نوری، سیستم های گرمایش مادون قرمز و لامپ، و دستگاه های آزمایشگاهی دقیق.

پردازش نیمه هادی و فتوولتائیک

در یک کوره پخش نیمه هادی، لوله های کوارتز، قایق ها و بوته ها هزاران ساعت در دمای بالای 1100 درجه سانتیگراد سپری می کنند. جرم جزء که مستقیماً با چگالی کوارتز ذوب شده متناسب است، تعیین می کند که چه مقدار گرما در حین افزایش سطح شیب دار جذب می شود و بار چقدر آهسته به تغییرات نقطه تنظیم دما پاسخ می دهد. یک لوله انتشار با قطر 300 میلی متر با ضخامت دیواره 5 میلی متر تقریباً 20 کیلوگرم بر متر وزن دارد. خطای چگالی 0.02 گرم بر سانتی‌متر مربع حدوداً 180 گرم بر متر را تغییر می‌دهد، که برای تأثیرگذاری بر کالیبراسیون ربات جابجایی ویفر که برای یک بار خاص برنامه‌ریزی شده بود کافی است. چگالی همچنین با عملکرد بوته در هر دو رشد کریستال Czochralski و ریخته‌گری شمش فتوولتائیک در تعامل است. یک دیوار بوته چگال یکنواخت انتقال حرارت و ساختار حباب قابل پیش بینی را فراهم می کند، در حالی که یک بوته با تغییرات چگالی موضعی می تواند در طول افتادگی در دمای بالا به طور غیر قابل پیش بینی رفتار کند. هنگامی که یک کارخانه نیمه هادی یک تولید کننده شیشه کوارتز را برای قراردادهای تامین مقایسه می کند، درخواست محدوده چگالی دسته بوته با درجه الکترونیکی یک تحقیق فنی قانونی است، نه یک امر رسمی. به همین دلیل، مهندسانی که مسئول رشد شمش هستند، باید قبل از تایید یک تامین کننده جدید بوته کوارتز، به ثبات اندازه گیری دقت کنند.

بوته کوارتز الکترونیکی نیمه هادی برای کاربردهای با خلوص بالا این بوته به خلوص SiO2 بالای 99.998٪ و سطوح ناخالصی زیر 10 ppm نیاز دارد، که آن را به یک جزء حیاتی برای انتشار نیمه هادی و فرآیندهای رشد کریستال تبدیل می کند که در آن یکنواختی چگالی به طور مستقیم بر عملکرد حرارتی و مکانیکی تأثیر می گذارد. مشاهده محصول →

اجزای نوری و سیستم های لیزری

در اپتیک، یکنواختی چگالی ارتباط نزدیکی با همگنی ضریب شکست دارد. یک پنجره کوارتز ذوب شده، منشور یا عدسی که تغییرات چگالی موضعی را نشان می‌دهد، تغییرات شاخص محلی را نیز نشان می‌دهد، که کیفیت جبهه موج را کاهش می‌دهد و می‌تواند اثرات قطبش را در سیستم‌های لیزری پرقدرت ایجاد کند. پنجره های بزرگ و دریچه های دید نیز مشکل وزن عملی دارند. یک پنجره کوارتز ذوب شده با قطر 150 میلی‌متر و ضخامت 20 میلی‌متر حدود 778 گرم وزن دارد و یک محفظه خلاء کامل با شش درگاه دید، تقریباً 5 کیلوگرم کوارتز به تنهایی اضافه می‌کند. فلنج های نصب باید برای آن وزن به اضافه بار فشار خلاء طراحی شوند و مهندس مسئول قبل از نهایی کردن الگوی پیچ، حجم را در یک چگالی محافظه کارانه، معمولاً 2.21 گرم بر سانتی متر مکعب برای کوارتز ذوب شده شفاف، ضرب می کند. گریدهای نوری تولید شده توسط یک کارخانه شیشه کوارتز در چین معمولاً به JGS1 برای اشعه ماوراء بنفش دور، JGS2 برای اشعه ماوراء بنفش عمومی و JGS3 برای کاربردهای مادون قرمز جدا می شوند و چگالی هر گرید در گواهی کارخانه درج می شود. خریداری که جدول «ویژگی‌های معمولی» را بدون مقدار اندازه‌گیری شده می‌پذیرد، دقیقاً اطلاعاتی را که صفحه را به رفتار نوری آن مرتبط می‌کند، از دست داده است.

لوله کوارتز شفاف برای مصارف نوری و صنعتی این لوله با بیش از 93 درصد عبور نوری و محتوای هیدروکسیل کم، برای تولید لامپ و کاربردهای گرمایشی مناسب است. چگالی آن بر وزن و رفتار حرارتی تأثیر می گذارد و به مهندسان کمک می کند تا مشخصات مناسب را انتخاب کنند. مشاهده محصول →

عناصر گرمایش مادون قرمز و سیستم های لامپ

بخاری های کوارتز مادون قرمز متکی به لوله های کوارتز نازکی هستند که حاوی فیبر کربن، سیم آلیاژ نیکل کروم یا عناصر گرمایش سیم تنگستن هستند. پوشش کوارتز به این دلیل انتخاب می شود که تابش مادون قرمز را به طور موثر منتقل می کند، دمای بالای 800 درجه سانتیگراد را تحمل می کند و با عنصر گرمایش واکنش نمی دهد. چگالی اندازه‌گیری ضخامت دیوار و وزن هر متری را که خریداران برای مقایسه قیمت‌های عرضه‌کنندگان مختلف استفاده می‌کنند، تعیین می‌کند. یک لوله کوارتز سفید شیری با حضور توزیع کنترل شده ریز حباب ها شفاف می شود. این حباب ها چگالی ظاهری موثر را کاهش می دهند و در عین حال عملکرد حرارتی مورد نیاز بخاری های تزئینی و صنعتی را حفظ می کنند. در انتهای دیگر، یک لوله کاملا شفاف عاری از حباب های بزرگ است و به چگالی نظری 2.20 گرم در سانتی متر مکعب می رسد. یک کارخانه ذی‌صلاح دو محصول را با انتظارات چگالی متفاوت نقل‌قول می‌کند و یک سازنده با تجربه المنت گرمایشی از این تفاوت برای انتخاب لوله مناسب برای کاربرد مورد نظر استفاده می‌کند.

پنجره نوری کوارتز با خلوص بالا و پایداری حرارتی این پنجره با محتوای سیلیس بالای 99.99 درصد و سختی موس هفت، انبساط حرارتی کم و عایق الکتریکی عالی را ارائه می‌کند و برای سیستم‌های نوری که یکنواختی چگالی بر کیفیت جبهه موج تأثیر می‌گذارد، مناسب است. مشاهده محصول →

دستگاه های آزمایشگاهی و ابزار دقیق

ظروف آزمایشگاهی کوارتز مانند بشر، بوته‌ها، کووت‌ها، لوله‌های آزمایش و مخازن هضم بخشی از نظر خلوص و تا حدی برای دقت هندسی مشخص شده‌اند. چگالی در کالیبراسیون شناوری، آزمایش ظروف شیشه ای حجمی و تعادل های تحلیلی وارد تصویر می شود. یک کووت کوارتز که 1 درصد چگالی تر از مقدار اسمی آن است، دیواره های نازک تری برای همان ابعاد خارجی خواهد داشت که طول مسیر نوری را تغییر می دهد و به طور بالقوه خواندن اسپکتروفتومتر را تغییر می دهد. خریدارانی که به صورت عمده برای آزمایشگاه ها خرید می کنند باید مقدار چگالی گزارش شده توسط سازنده کوارتز ذوب شده را درخواست کنند تا در صورت لزوم آزمایشگاه بتواند جبران کند.

موضوع مشترک در هر چهار خانواده برنامه این است که تراکم هرگز تنها مشخصات نیست، اما همیشه یک بررسی متقاطع بر روی ثبات فرآیند است. هنگامی که یک خریدار چگالی اندازه‌گیری شده را با محتوای OH، تجزیه و تحلیل فلزات و بازرسی ابعادی ترکیب می‌کند، جعل کردن سیستم کیفیت تامین‌کننده بسیار سخت‌تر می‌شود.

چگالی کوارتز ذوب شده و خواص فیزیکی مرتبط

تراکم به تنهایی کار نمی کند. طراحی یک جزء کوارتز به مجموعه ای از خواص بستگی دارد که همگی به یک شبکه سیلیسی آمورف باز می گردند. درک چگونگی ارتباط چگالی با استحکام مکانیکی، انبساط حرارتی، هدایت حرارتی و مقاومت الکتریکی به خریدار کمک می‌کند تا برگه‌های داده را تفسیر کند و پیش‌بینی کند که چگونه یک قطعه در سرویس رفتار می‌کند.

پیوند بین چگالی کم شیشه و انبساط حرارتی آن سزاوار توجه ویژه است. از آنجایی که شبکه آمورف حاوی مقدار مشخصی "حجم آزاد" است، سازه می تواند ارتعاش حرارتی را بدون تغییر ابعاد آن جذب کند. این انبساط کم، نه خود چگالی، چیزی است که به کوارتز ذوب شده مقاومت افسانه‌ای در برابر شوک حرارتی می‌دهد. رسانایی حرارتی کم شیشه کوارتز نیز از شبکه باز ناشی می شود: گرما باید از یک ساختار نامنظم و ضعیف عبور کند، بنابراین این ماده تقریباً 60 برابر کمتر از آلومینیوم گرما را هدایت می کند. بنابراین یک لوله کوارتز نازکتر در یک بخاری مادون قرمز سریعتر به تعادل حرارتی می رسد، که دقیقا همان چیزی است که طراحان المنت گرمایش می خواهند. از نظر مکانیکی، سفتی متوسط ​​72 گیگا پاسکال به این معنی است که لوله‌های کوارتز به اندازه آلومینا یا فولاد سفت و سخت نیستند، بنابراین لوله‌های افقی طولانی باید در فواصل زمانی پشتیبانی شوند تا از افتادگی در دمای بالا جلوگیری شود. از آنجایی که چگالی حتی در دمای عملیاتی نزدیک به 2.20 باقی می‌ماند، نیروهای شناوری در یک محفظه رسوب‌گذاری خلاء با گذشت زمان تغییر نمی‌کنند و پایداری ابعادی قطعه، محفظه فرآیند را قابل پیش‌بینی نگه می‌دارد. در نهایت، تخلخل بسیار کم و چگالی بالا کوارتز ذوب شده شفاف چیزی است که آن را برای پردازش گازها غیر قابل نفوذ می کند، یک ویژگی ضروری برای لوله های انتشار و بوته های حاوی مواد مذاب. بنابراین یک "نمودار چگالی کوارتز" در یک دیتاشیت باید همراه با این خصوصیات مجاور خوانده شود. هر مقداری که خارج از خانواده باشد باید قبل از اینکه قطعه به اتاق تمیز برسد یک پرچم قرمز بلند کند.

چگونه چگالی کوارتز ذوب شده را اندازه گیری و تأیید کنیم

اندازه گیری چگالی کوارتز ذوب شده در عمل یک عملیات ساده اما دقیق است که هر آزمایشگاه کارخانه یا بازرس شخص ثالث می تواند انجام دهد. روش استاندارد تکنیک غوطه وری ارشمیدس است که اغلب از ASTM C693 یا ISO 5017 پیروی می کند. نمونه در هوا وزن می شود، در حالی که در آب مقطر غوطه ور است دوباره وزن می شود و چگالی از نسبت دو اندازه گیری محاسبه می شود که برای چگالی آب وابسته به دما تصحیح شده است.

1. نمونه تمیز و معرف حداقل 20 تا 50 گرم از مواد را برش دهید یا انتخاب کنید. از بریدگی لبه، ترک و آلودگی سطحی خودداری کنید.
2. نمونه را با اتانول یا حلال مناسب تمیز کنید، آن را در آب دیونیزه بشویید و کاملا خشک کنید تا رطوبت سطح اولین توزین را تحت تاثیر قرار ندهد.
3. نمونه خشک را در هوا روی ترازوی تحلیلی با وضوح 0.1 میلی گرم وزن کنید. جرم را به صورت m(هوا) ثبت کنید.
4. نمونه را در آب مقطر گاز زدایی شده در دمای ثبت شده معلق کنید، معمولاً 20 درجه سانتیگراد یا 25 درجه سانتیگراد، با استفاده از یک سیم خوب یا یک سینک مخصوص ساخته شده. اطمینان حاصل کنید که هیچ حباب هوا به سطح نمی چسبد.
5. نمونه معلق را وزن کرده و جرم ظاهری آن را m(آب) ثبت کنید.
6. چگالی را با استفاده از فرمول ρ = [m(هوا) × ρ(آب)] / [m(هوا) − m(آب)] محاسبه کنید، که ρ(آب) چگالی آب در دمای اندازه گیری شده است.
7. اندازه گیری را روی سه نمونه جداگانه از همان دسته تکرار کنید و میانگین و گسترش را گزارش دهید. تغییرات کمتر از 0.005 گرم بر سانتی‌متر مکعب برای یک قطعه تولید کوارتز شفاف با آنیل خوب معمولی است.

برای اجزای بزرگ مانند لوله های کوره یا بوته های با دیواره ضخیم، روش غوطه وری ممکن است غیر عملی باشد. در این حالت، جرم جزء خشک بر حجم محاسبه شده از ابعاد خارجی آن تقسیم می شود و نتیجه با گواهی کارخانه مقایسه می شود. این روش هندسی دقت کمتری دارد زیرا تحمل ضخامت دیواره و بیضی بودن باعث عدم قطعیت می شود، اما اغلب برای تأیید اینکه یک لوله تحویلی با چگالی کوارتز ذوب شده مورد انتظار در 0.02 گرم بر سانتی متر مکعب مطابقت دارد کافی است. برای محصولات بسیار متراکم مانند شمش‌ها و بلوک‌های کوارتز، یا برای پودر کوارتز با خلوص بالا، پیکنومتری گاز با هلیوم با حذف تخلخل باز که آب ممکن است به آن نفوذ کند، مطمئن‌ترین مقدار چگالی واقعی را به دست می‌دهد.

چرا روش اندازه گیری برای خریدار اهمیت دارد؟ گواهی چگالی مشابه را می توان با یک تکنیک خوب یا ضعیف ایجاد کرد. یک اپراتور غیر ماهر که فراموش می کند آب را گاز زدایی کند، تراکم آب را در دمای متفاوت محاسبه نمی کند، یا از یک سینک آلوده استفاده می کند، می تواند به راحتی نتیجه ای ایجاد کند که 0.02 گرم بر سانتی متر مکعب یا بیشتر کاهش می یابد. هنگامی که یک سازنده کوارتز ذوب شده بیان می کند که چگالی با ارجاع به یک استاندارد خاص اندازه گیری شده است و وضوح تعادل و دمای آب را در گواهی می دهد، آن سطح از جزئیات سیگنال قوی از یک سیستم کیفیت بالغ است. خریداران همچنین باید بپرسند که آیا اندازه‌گیری چگالی روی خود جزء فروخته‌شده انجام شده است یا روی یک قطعه آزمایشی از همان مذاب، زیرا نمونه جداشده از انتهای مقاله بسیار بیشتر از یک شمش آزمایشگاهی جداگانه است.

راهنمای انتخاب خریدار: تراکم، درجه، و ملاحظات تامین کننده

هنگامی که یک تیم خرید شیشه کوارتز را از چندین تولید کننده ارزیابی می کند، خط چگالی در برگه اطلاعات فنی باید به پنج روش مختلف تفسیر شود. جدول زیر خلاصه می کند که چه چیزی باید بررسی شود و چرا در تصمیم گیری اهمیت دارد. در عمل، خریدار به دنبال بالاترین یا کمترین تراکم نیست. خریدار به دنبال سازگاری، مستندات و ارزشی است که با درجه اعلام شده و روش تولید مطابقت داشته باشد.

علاوه بر چک لیست، خریدارانی که با یک تولید کننده یا تامین کننده شیشه کوارتز چینی کار می کنند باید بدانند که همان ماده را می توان به عنوان کوارتز شفاف، کوارتز شیری، کوارتز مات، یا سیلیس ذوب شده مصنوعی کم OH تحویل داد و هر خانواده انتظار چگالی خاص خود را دارد. کارت های افقی زیر سه نوع پیکربندی رایج موجود در یک کارخانه معمولی محصولات کوارتز و بافت چگالی که با آنها همراه است را نشان می دهد.

از منظر تجاری، اسناد چگالی به خریدار کمک می کند تا تولیدکنندگان واقعی را از شرکت های تجاری جدا کند. زمانی که مشتری مشکلات عملکردی را گزارش می‌کند، سازنده‌ای که کوره‌های ذوب خود را راه‌اندازی می‌کند، می‌تواند گواهی‌های سطح زیادی، گزارش‌های چگالی و تنظیم چرخه‌های بازپخت ارائه دهد. عمده‌فروشی که برگه‌های وارداتی را مجدداً بسته‌بندی می‌کند، تنها در صورتی می‌تواند سند اصلی را ارسال کند که تامین‌کننده بالادستی آن برای تولید آن نظم کافی داشته باشد. هنگام خرید در مقادیر عمده، چگالی پراکنده در چندین دسته به اندازه مقدار متوسط ​​اهمیت دارد. یک تامین کننده مسئول بیان می کند که همه دسته ها به جای ادعای ثابت کامل، به عنوان مثال 0.004 ± 2.200 گرم بر سانتی متر مکعب هستند.

آخرین و مفیدترین سوالی که یک خریدار می تواند بپرسد ساده است: "آیا می توانیم آخرین اندازه گیری چگالی را برای درجه واقعی که قصد سفارش داریم ببینیم؟" کارخانه‌ای که با گزارش تاریخ‌دار، جرم نمونه، دمای آب و مقدار چگالی اندازه‌گیری شده پاسخ می‌دهد، نشان داده است که چگالی کوارتز ذوب شده را به خوبی درک می‌کند تا آن را کنترل کند. کارخانه ای که با برگه داده خرده فروشی عمومی پاسخ می دهد، پاسخ نمی دهد، و این تفاوت اغلب کل رابطه کیفیت آینده را پیش بینی می کند.

سوالات متداول در مورد چگالی کوارتز ذوب شده

در زیر سوالاتی وجود دارد که تیم های مهندسی و تدارکات اغلب هنگام ارزیابی چگالی کوارتز ذوب شده برای لوله ها، میله ها، صفحات، بوته ها و ظروف کوارتز سفارشی می پرسند.