Quartz fondu

Le quartz fondu, la silice fondue ou le verre de quartz est un verre constitué de silice presque pure (dioxyde de silicium, SiO ₂ ) sous forme amorphe (non cristalline ). Cela diffère de tous les autres verres commerciaux dans lesquels d’autres ingrédients sont ajoutés qui modifient les propriétés optiques et physiques des verres, comme l’abaissement de la température de fusion. Le quartz fondu a donc des températures de travail et de fusion élevées, ce qui le rend moins souhaitable pour la plupart des applications courantes.

Cette sphère de quartz fondu a été fabriquée pour être utilisée dans un gyroscope dans l’ expérience Gravity Probe B. C’est l’une des sphères les plus précises jamais fabriquées, s’écartant d’une sphère parfaite de pas plus de 40 atomes d’épaisseur. Seules les étoiles à neutrons et les sphères de silicium monocristallin utilisées dans le projet Avogadro sont considérées comme plus lisses. ^{[ citation nécessaire ]}

Les termes quartz fondu et silice fondue sont utilisés de manière interchangeable, mais peuvent faire référence à différentes techniques de fabrication, comme indiqué ci-dessous, entraînant différentes traces d’impuretés. Cependant, le quartz fondu, étant à l’ état vitreux , a des propriétés physiques assez différentes de celles du quartz cristallin . ^[1] En raison de ses propriétés physiques, il trouve des utilisations spécialisées dans la fabrication de semi -conducteurs et les équipements de laboratoire, par exemple.

Par rapport à d’autres verres courants, la transmission optique de la silice pure s’étend bien dans les longueurs d’onde ultraviolettes et infrarouges , elle est donc utilisée pour fabriquer des lentilles et d’autres optiques pour ces longueurs d’onde. Selon les processus de fabrication, les impuretés restreindront la transmission optique, ce qui se traduira par des qualités commerciales de quartz fondu optimisées pour une utilisation dans l’infrarouge ou (alors plus souvent appelée silice fondue) dans l’ultraviolet. Le faible Coefficient de dilatation thermique du quartz fondu en fait un matériau utile pour les substrats de miroir de précision. ^[2]

Fabrication

Le quartz fondu est produit par fusion (fusion) de sable de silice de haute pureté, composé de cristaux de quartz . Il existe quatre types de base de verre de silice commercial :

• Le type I est produit par fusion par induction de quartz naturel sous vide ou sous atmosphère inerte.
• Le type II est produit en faisant fondre de la poudre de cristal de quartz dans une flamme à haute température.
• Le type III est produit en brûlant SiCl ₄ dans une flamme hydrogène – oxygène .
• Le type IV est produit en brûlant du SiCl ₄ dans une flamme de plasma sans vapeur d’eau. ^[3]

Le quartz ne contient que du silicium et de l’oxygène, bien que le verre de quartz commercial contienne souvent des impuretés. Deux impuretés dominantes sont l’aluminium et le titane ^[4] qui affectent la transmission optique aux longueurs d’onde ultraviolettes. Si de l’eau est présente dans le processus de fabrication, des groupes Hydroxyle (OH) peuvent s’incruster, ce qui réduit la transmission dans l’infrarouge.

La fusion

La fusion est effectuée à environ 1650 ° C (3000 ° F) à l’aide d’un four chauffé électriquement (fusionné électriquement) ou d’un four alimenté au gaz / oxygène (fusionné à la flamme). La silice fondue peut être fabriquée à partir de presque tous les précurseurs chimiques riches en silicium , généralement en utilisant un processus continu qui implique l’ Oxydation à la flamme des composés volatils du silicium en dioxyde de silicium et la fusion thermique de la poussière résultante (bien que des processus alternatifs soient utilisés). Il en résulte un verre transparent d’une pureté ultra élevée et d’une transmission optique améliorée dans l’ultraviolet profond. Une méthode courante consiste à ajouter du tétrachlorure de silicium à une flamme hydrogène-oxygène. ^{[ citation nécessaire ]}

La qualité des produits

Le quartz fondu est normalement transparent. Le matériau peut cependant devenir translucide si de petites bulles d’air peuvent être emprisonnées à l’intérieur. La teneur en eau (et donc la transmission infrarouge) du quartz fondu est déterminée par le processus de fabrication. Le matériau fusionné à la flamme a toujours une teneur en eau plus élevée en raison de la combinaison des hydrocarbures et de l’oxygène alimentant le four, formant des groupes Hydroxyle [OH] dans le matériau. Un matériau de qualité IR a généralement une teneur en [OH] inférieure à 10 ppm. ^{[ citation nécessaire ]}

Applications

De nombreuses applications optiques du quartz fondu exploitent sa large gamme de transparence, qui peut s’étendre bien dans l’ultraviolet et dans le proche infrarouge moyen. Le quartz fondu est le matériau de base de la fibre optique , utilisé pour les télécommunications.

En raison de sa résistance et de son point de fusion élevé (par rapport au verre ordinaire ), le quartz fondu est utilisé comme enveloppe pour les lampes halogènes et les lampes à décharge à haute intensité , qui doivent fonctionner à une température d’enveloppe élevée pour obtenir leur combinaison de luminosité élevée et de longue durée de vie. . Certains tubes à vide de forte puissance utilisaient des enveloppes en silice dont la bonne transmission aux longueurs d’onde infrarouges facilitait le Refroidissement par rayonnement de leurs anodes incandescentes .

En raison de sa résistance physique, le quartz fondu était utilisé dans les vaisseaux de plongée profonde tels que la bathysphère et le benthoscope et dans les fenêtres des engins spatiaux avec équipage, y compris la navette spatiale et la Station spatiale internationale . ^[5]

Dans l’industrie des semi-conducteurs, sa combinaison de résistance, de stabilité thermique et de transparence aux UV en fait un excellent substrat pour les masques de projection pour la photolithographie .

Une EPROM avec fenêtre en quartz fusionné dans le haut du boîtier

Sa transparence aux UV est également utilisée comme fenêtre sur les EPROM (mémoire morte programmable effaçable ), un type de puce mémoire non volatile qui est effacée par exposition à une forte lumière ultraviolette. Les EPROM sont reconnaissables à la fenêtre transparente en quartz fondu (bien que certains modèles ultérieurs utilisent une résine transparente aux UV) qui se trouve sur le dessus du boîtier, à travers laquelle la puce de silicium est visible et qui transmet la lumière UV pour l’effacement. ^{[6] [7]}

En raison de sa stabilité thermique et de sa composition, il est utilisé dans le stockage de données optiques 5D ^[8] et dans les fours de fabrication de semi-conducteurs. ^{[ citation nécessaire ]}

Le quartz fondu a des propriétés presque idéales pour fabriquer des miroirs de première surface tels que ceux utilisés dans les télescopes . Le matériau se comporte de manière prévisible et permet au fabricant optique de mettre un poli très lisse sur la surface et de produire la figure souhaitée avec moins d’itérations de test. Dans certains cas, une qualité UV de quartz fondu de haute pureté a été utilisée pour fabriquer plusieurs des lentilles individuelles non revêtues d’objectifs spéciaux, notamment le Zeiss 105 mm f/4.3 UV Sonnar, un objectif autrefois conçu pour l’appareil photo Hasselblad, et l’objectif Nikon UV-Nikkor 105 mm f / 4,5 (actuellement vendu sous le nom de Nikon PF10545MF-UV). Ces objectifs sont utilisés pour la photographie UV, car le verre de quartz peut être transparent à des longueurs d’onde beaucoup plus courtes que les objectifs fabriqués avec du silex plus commun.ou des formules de verre couronne .

Le quartz fondu peut être métallisé et gravé pour être utilisé comme substrat pour les circuits micro-ondes de haute précision, la stabilité thermique en faisant un bon choix pour les filtres à bande étroite et les applications exigeantes similaires. La Constante diélectrique inférieure à celle de l’alumine permet des pistes d’impédance plus élevée ou des substrats plus minces.

Applications des matériaux réfractaires

Le quartz fondu en tant que matière première industrielle est utilisé pour fabriquer diverses formes réfractaires telles que des creusets, des plateaux, des carénages et des rouleaux pour de nombreux procédés thermiques à haute température, notamment la fabrication de l’ acier , la coulée de précision et la fabrication du verre. Les formes réfractaires fabriquées à partir de quartz fondu ont une excellente résistance aux chocs thermiques et sont chimiquement inertes vis-à-vis de la plupart des éléments et composés, y compris pratiquement tous les acides, quelle que soit leur concentration, à l’exception de l’acide fluorhydrique , qui est très réactif même à des concentrations assez faibles. Les tubes en quartz fondu translucide sont couramment utilisés pour gainer les éléments électriques des appareils de chauffage , des fours industriels et d’autres applications similaires.

En raison de son faible amortissement mécanique aux températures ordinaires, il est utilisé pour les résonateurs à Q élevé , en particulier pour le résonateur en verre de vin du gyroscope à résonateur hémisphérique. ^{[9] [10]} Pour la même raison, le quartz fondu est également le matériau utilisé pour les instruments de verre modernes tels que la harpe de verre et le verrophone , et est également utilisé pour les nouvelles constructions de l’ harmonica de verre historique , donnant à ces instruments une plus grande gamme dynamique et un son plus clair qu’avec le Cristal au plomb historiquement utilisé .

La verrerie à quartz est parfois utilisée dans les laboratoires de chimie lorsque le verre borosilicaté standard ne peut pas résister à des températures élevées ou lorsqu’une transmission UV élevée est requise. Le coût de production est nettement plus élevé, limitant son utilisation ; on le trouve généralement sous forme d’élément de base unique, tel qu’un tube dans un four, ou sous forme de ballon, les éléments étant directement exposés à la chaleur.

Propriétés du quartz fondu

Le Coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, environ 5,5 ⋅ 10 ⁻⁷ /K (20…320 °C), explique sa remarquable capacité à subir des changements de température importants et rapides sans se fissurer (voir choc thermique ).

Phosphorescence dans le quartz fondu à partir d’une impulsion extrêmement intense de lumière UV dans un tube éclair, centrée à 170 nm

Le quartz fondu est sujet à la phosphorescence et à la ” solarisation ” (décoloration violacée) sous un éclairage UV intense, comme on le voit souvent dans les flashtubes . La silice fondue synthétique “de qualité UV” (vendue sous divers noms commerciaux, notamment “HPFS”, “Spectrosil” et “Suprasil”) a une très faible teneur en impuretés métalliques, ce qui la rend transparente plus profondément dans l’ultraviolet. Une optique d’une épaisseur de 1 cm a une transmittance d’environ 50 % à une longueur d’ onde de 170 nm, qui chute à seulement quelques pourcents à 160 nm. Cependant, sa transmission infrarouge est limitée par de fortes absorptions d’eau à 2,2 μm et 2,7 μm.

Le quartz fondu “de qualité infrarouge” (noms commerciaux “Infrasil”, “Vitreosil IR” et autres), qui est fusionné électriquement, a une plus grande présence d’impuretés métalliques, limitant sa longueur d’onde de transmission UV à environ 250 nm, mais une teneur en eau beaucoup plus faible , conduisant à une excellente transmission infrarouge jusqu’à une longueur d’onde de 3,6 μm. Toutes les qualités de quartz fondu transparent/silice fondue ont des propriétés mécaniques presque identiques.

Indice de réfraction

La dispersion optique du quartz fondu peut être approchée par l’ équation de Sellmeier suivante : ^[11]

ε = n 2 = 1 + 0.6961663 λ 2 λ 2 − 0.0684043 2 + 0.4079426 λ 2 λ 2 − 0.1162414 2 + 0.8974794 λ 2 λ 2 − 9.896161 2 , {displaystyle varepsilon =n^{2}=1+{frac {0.6961663lambda ^{2}}{lambda ^{2}-0.0684043^{2}}}+{frac {0.4079426lambda ^ {2}}{lambda ^{2}-0.1162414^{2}}}+{frac {0.8974794lambda ^{2}}{lambda ^{2}-9.896161^{2}}},}

où la longueur d’onde λ {displaystylelambda} se mesure en micromètres. Cette équation est valable entre 0,21 et 3,71 μm et à 20 °C. ^[11] Sa validité a été confirmée pour des longueurs d’onde jusqu’à 6,7 μm. ^[3] Les données expérimentales pour les parties réelles (indice de réfraction) et imaginaires (indice d’absorption) de l’indice de réfraction complexe du quartz fondu rapportées dans la littérature sur la gamme spectrale de 30 nm à 1000 μm ont été examinées par Kitamura et al. ^[3] et sont disponibles en ligne .

Son nombre d’Abbe assez élevé de 67,8 en fait l’un des verres à plus faible dispersion aux longueurs d’onde visibles, ainsi qu’un indice de réfraction exceptionnellement bas dans le visible ( n _d = 1,4585). Notez que le quartz fondu a un indice de réfraction très différent et inférieur à celui du quartz cristallin qui est Biréfringent avec des indices de réfraction n _o = 1,5443 et n _e = 1,5534 à la même longueur d’onde. Bien que ces formes aient la même formule chimique, leurs structures différentes se traduisent par des propriétés optiques et physiques différentes.

Liste des propriétés physiques

• Densité : 2.203 g/cm ³
• Dureté : 5.3…6.5 (échelle de Mohs), 8.8 GPa
• Résistance à la traction : 48,3 MPa
• Résistance à la compression : > 1.1 GPa
• Module de compressibilité : ~37 GPa
• Module de rigidité : 31 GPa
• Module d’Young : 71.7 GPa
• Coefficient de Poisson : 0.17
• Constantes élastiques de Lamé : λ = 15.87 GPa, μ = 31.26 GPa
• Coefficient de dilatation thermique : 5.5 ⋅ 10 ⁻⁷ /K (moyenne de 20…320 °C)
• Conductivité thermique : 1,3 W/(m·K)
• Capacité calorifique spécifique : 45,3 J/(mol·K)
• Point de ramollissement : ≈ 1665 °C
• Point de recuit : ≈ 1140 °C
• Point de déformation : 1070 °C
• Résistivité électrique : > 10 ¹⁸ Ω·m
• Constante diélectrique : 3,75 à 20 °C 1 MHz
• Facteur de perte diélectrique : inférieur à 0,0004 à 20 °C 1 MHz typiquement 6 ⋅ 10 ⁻⁵ à 10 GHz ^[12]
• Rigidité diélectrique : 250…400 kV/cm à 20 °C ^[13]
• Susceptibilité magnétique : −11.28 ⋅ 10 ⁻⁶ (SI, 22 °C) ^[14]
• Constante de Hamaker : A = 6,5 ⋅ 10 ⁻²⁰ J.
• Tension superficielle : 0,300 N/m à 1800…2400 °C ^[15]
• Indice de réfraction : n _d = 1,4585 (à 587,6 nm)
• Changement d’indice de réfraction avec la température : 1,28 ⋅ 10 ⁻⁵ /K (entre 20…30 °C) ^[11]
• Coefficients optiques de contrainte : p ₁₁ = 0,113, p ₁₂ = 0,252.
• Nombre d’Abbé : Vd = 67,82 ^[16]

Voir également

• Vycor
• Structure des liquides et des verres
• Fibre de quartz

Références

1. ^ “Quartz contre silice fondue : quelle est la différence ?” . Verre rapide . 2015-09-08 . Récupéré le 18/08/2017 .
2. ^ De Jong, Bernard HWS; Beerkens, Ruud GC; En ligneVan Nijnatten, Peter A. (2000). “Verre”. Encyclopédie de chimie industrielle d’Ullmann . doi : 10.1002/14356007.a12_365 . ISBN 3-527-30673-0.
3. ^ ^{un bc Kitamura} , Rei; Pilon, Laurent; Jonasz, Miroslaw (2007-11-19). “Constantes optiques du verre de silice de l’ultraviolet extrême à l’infrarouge lointain à des températures proches de la pièce” (PDF) . Optique Appliquée . 46 (33): 8118–8133. Bibcode : 2007ApOpt..46.8118K . doi : 10.1364/AO.46.008118 . PMID 18026551 . Récupéré le 12/07/2014 .
4. ^ Pureté chimique du quartz fondu / silice fondue , www.heraeus-quarzglas.com
5. ^ Salem, Jonathan (2012). “Céramiques d’armure transparentes comme fenêtres de vaisseau spatial” . Journal de l’ American Ceramic Society .
6. ^ “PROM effaçable aux UV Intel 1702A 2K (256 x 8)” (PDF) . {{cite web}}: CS1 maint: url-status (link)
7. ^ “Historique du CPU – EPROMs” . www.cpushack.com . Récupéré le 12/05/2021 .
8. ^ Kazansky, P.; et coll. (11 mars 2016). “Stockage éternel des données 5D via une écriture laser ultra-rapide dans le verre” . Salle de presse SPIE.
9. ^ Un aperçu de la technologie de détection inertielle MEMS , 1er février 2003
10. ^ Penn, Steven D.; Harry, Gregory M.; Gretarsson, Andri M.; Kittelberger, Scott E.; Saulson, Peter R. ; Schiller, John J.; Smith, Joshua R.; Épées, Sol O. (2001). “Facteur de qualité élevé mesuré dans la silice fondue”. Examen des instruments scientifiques . 72 (9): 3670–3673. arXiv : gr-qc/0009035 . Bibcode : 2001RScI…72.3670P . doi : 10.1063/1.1394183 . S2CID 11630697 .
11. ^ ^{un bc Malitson} , IH (octobre 1965). “Comparaison interspécimen de l’indice de réfraction de la silice fondue” (PDF) . Journal de la société optique d’Amérique . 55 (10): 1205–1209. Bibcode : 1965JOSA…55.1205M . doi : 10.1364/JOSA.55.001205 . Récupéré le 12/07/2014 .
12. ^ “Concepts Keysight Technologies GENESYS” (PDF) . Keysight Technologies .
13. ^ “Silice fondue” . Pays d’optique . Archivé de l’original le 2013-06-02 . Récupéré le 27/02/2016 .
14. ^ Wapler, MC; Leupold, J.; Dragonu, I. ; von Elverfeldt, D.; Zaitsev, M.; Wallrabe, U. (2014). “Propriétés magnétiques des matériaux pour l’ingénierie MR, micro-MR et au-delà”. JMR . 242 : 233–242. arXiv : 1403.4760 . Bibcode : 2014JMagR.242..233W . doi : 10.1016/j.jmr.2014.02.005 . PMID 24705364 . S2CID 11545416 .
15. ^ Mesure de la tension superficielle et de la viscosité des verres optiques à l’aide d’un laser CO2 à balayage
16. ^ “Indice de réfraction de la silice fondue (quartz fondu)” . Indice de réfraction . Récupéré le 18/08/2017 .

Liens externes

• “Frozen Eye to Bring New Worlds into View” Popular Mechanics , juin 1931 General Electrics, West Lynn Massachusetts Labs travaille sur de grands blocs de quartz fondu