زجاج الكوارتز
زجاج الكوارتز المذاب مع أنواع مختلفة من الكوارتز الطبيعي النقي
ميزة بناء زجاج الكوارتز
يتكون زجاج الكوارتز النقي من مكون واحد من السيليكا (SiO₂)، ويتم ترتيب روابط Si-O في زجاج الكوارتز في حالة منظمة قصيرة المدى وطويلة المدى غير منظمة. ونظرًا لطاقة الرابطة القوية والمستقرة لرابطة Si-O، فإن زجاج الكوارتز يتمتع بدرجة حرارة تليين عالية، ونفاذية طيفية ممتازة، ومعامل منخفض جدًا للتمدد الحراري والتوصيل، واستقرار كيميائي عالي جدًا، ومقاومة للإشعاع وميزات عمر العمل الطويل في ظل الظروف القاسية.
الخاصية البصرية
يتميز زجاج الكوارتز بمجموعة واسعة من الخصائص البصرية الممتازة. بالمقارنة مع الزجاج العادي، يتميز زجاج الكوارتز عالي النقاء بنفاذية جيدة في طيف واسع للغاية من الأشعة فوق البنفسجية البعيدة (160 نانومتر) إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة (5 ميكرومتر)، وهو ما لا يتوفر في الزجاج البصري العادي. بفضل نفاذيته الطيفية الممتازة وتجانسه البصري، يُستخدم زجاج الكوارتز على نطاق واسع في الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات والأجهزة البصرية الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يتميز زجاج الكوارتز بمقاومة جيدة للإشعاع، ويُستخدم على نطاق واسع كزجاج للمركبات الفضائية، وأغطية واقية للمكونات الرئيسية لمختبرات الفضاء.
الخاصية الميكانيكية
زجاج الكوارتز مشابه للزجاج العادي، فهو مادة هشة وصلبة. وكما هو الحال مع الزجاج العادي، تتأثر معايير قوة زجاج الكوارتز بعوامل عديدة، منها حالة السطح، والهندسة، وطريقة الاختبار. تتراوح قوة ضغط زجاج الكوارتز الشفاف عادةً بين 490 و1960 ميجا باسكال، وقوة الشد بين 50 و70 ميجا باسكال، وقوة الانحناء بين 66 و108 ميجا باسكال، وقوة الالتواء حوالي 30 ميجا باسكال.
الخصائص الكهربائية
زجاج الكوارتز مادة عازلة كهربائية ممتازة. بالمقارنة مع الزجاج العادي، يتميز زجاج الكوارتز بمقاومته الكهربائية العالية، حيث تصل مقاومته الكهربائية في درجة حرارة الغرفة إلى 1.8×1019Ω∙cm. كما يتميز بجهد انهيار أعلى (حوالي 20 ضعفًا من الزجاج العادي) وفقد عازل أقل. تنخفض مقاومته الكهربائية بشكل طفيف مع ارتفاع درجة الحرارة، كما أن مقاومته الكهربائية لزجاج الكوارتز المعتم أقل منها لزجاج الكوارتز الشفاف.
الخاصية الحرارية
لأن زجاج الكوارتز يتكون بالكامل تقريبًا من رابطة Si-O القوية، فإن درجة تليينه عالية جدًا، ويمكن أن تصل درجة حرارة تشغيله على المدى الطويل إلى 1000 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، يُعد معامل التمدد الحراري لزجاج الكوارتز الأقل بين الزجاج الصناعي الشائع، ويمكن أن يصل معامل التمدد الخطي إلى 5×10-7/℃. حتى زجاج الكوارتز المُعالج خصيصًا يمكنه تحقيق تمدد صفري. يتميز زجاج الكوارتز أيضًا بمقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، حتى مع تعرضه لاختلافات كبيرة في درجات الحرارة بشكل متكرر خلال فترة زمنية قصيرة، فإنه لا يتشقق. هذه الخصائص الحرارية الممتازة تجعل زجاج الكوارتز لا غنى عنه في درجات الحرارة العالية وبيئات العمل القاسية.
يمكن استخدام زجاج الكوارتز عالي النقاء في تصنيع الرقائق في صناعة أشباه الموصلات، والمواد المساعدة لتصنيع الألياف البصرية، ونوافذ المراقبة للأفران الصناعية عالية الحرارة، ومصادر الضوء الكهربائي عالية الطاقة، وسطح مكوك الفضاء كطبقة عازلة للحرارة. كما يسمح معامل التمدد الحراري المنخفض للغاية باستخدام زجاج الكوارتز في الأدوات الدقيقة ومواد العدسات للتلسكوبات الفلكية الكبيرة.
الخصائص الكيميائية
يتميز زجاج الكوارتز بثبات كيميائي ممتاز. بخلاف أنواع الزجاج التجاري الأخرى، يتميز زجاج الكوارتز بثباته الكيميائي تجاه الماء، ما يجعله مناسبًا للاستخدام في أجهزة تقطير المياه التي تتطلب نقاءً عاليًا. يتميز زجاج الكوارتز بمقاومة ممتازة للأحماض والأملاح، وباستثناء حمض الهيدروفلوريك وحمض الفوسفوريك ومحاليل الأملاح القاعدية، فإنه لا يتفاعل مع معظم الأحماض والأملاح. بالمقارنة مع محاليل الأحماض والأملاح، يتميز زجاج الكوارتز بمقاومة ضعيفة للقلويات ويتفاعل مع المحاليل القلوية عند درجات حرارة عالية. بالإضافة إلى ذلك، لا يتفاعل زجاج الكوارتز ومعظم الأكاسيد والمعادن واللافلزات والغازات عند درجات الحرارة العادية. إن نقائه العالي للغاية وثباته الكيميائي الجيد يجعلانه مناسبًا للاستخدام في بيئات ذات ظروف إنتاج عالية في تصنيع أشباه الموصلات.
خصائص أخرى
النفاذية: يتميز زجاج الكوارتز ببنية مرنة للغاية، حتى في درجات الحرارة العالية، مما يسمح لأيونات غازات معينة بالانتشار عبر الشبكة. يُعد انتشار أيونات الصوديوم الأسرع. يُعد هذا الأداء لزجاج الكوارتز مهمًا بشكل خاص للمستخدمين، فعلى سبيل المثال، عند استخدام زجاج الكوارتز كحاويات عالية الحرارة أو أنابيب انتشار في صناعة أشباه الموصلات، نظرًا لنقاء مادة أشباه الموصلات العالي، يجب معالجة المادة المقاومة للحرارة الملامسة لزجاج الكوارتز كبطانة فرن مسبقًا بدرجة حرارة عالية وتنظيفها، لإزالة الشوائب القلوية من البوتاسيوم والصوديوم، ثم وضعها في زجاج الكوارتز للاستخدام.
استخدامات زجاج الكوارتز
باعتباره مادة مهمة، يستخدم زجاج الكوارتز على نطاق واسع في الاتصالات البصرية، والفضاء الجوي، ومصدر الضوء الكهربائي، وأشباه الموصلات، والتكنولوجيا البصرية الجديدة.
1. مجال الاتصالات البصرية: يعتبر زجاج الكوارتز مادة مساعدة لإنتاج قضبان الألياف البصرية الجاهزة ورسم الألياف البصرية، والتي تخدم بشكل أساسي سوق ربط المحطة الأساسية، وقد جلب وصول عصر الجيل الخامس طلبًا كبيرًا في السوق على الألياف البصرية.
2. مظهر الضوء الجديد: مصباح الزئبق عالي الضغط، مصباح الزينون، مصباح يوديد التنغستن، مصباح يوديد الثاليوم، مصباح الأشعة تحت الحمراء ومصباح مبيد للجراثيم.
3. الجانب شبه الموصل: يعتبر زجاج الكوارتز مادة لا غنى عنها في عملية إنتاج المواد والأجهزة شبه الموصلة، مثل الجرمانيوم المزروع، وبوتقة السيليكون البلورية المفردة، وأنبوب قلب الفرن، والجرة الجرسية... إلخ.
4. في مجال التكنولوجيا الجديدة: مع أدائها الممتاز للصوت والضوء والكهرباء، وخط تأخير الموجات فوق الصوتية على الرادار، وتتبع اتجاه الأشعة تحت الحمراء، والمنشور، وعدسة التصوير بالأشعة تحت الحمراء، والاتصالات، ومقياس الطيف، ومقياس الطيف الضوئي، ونافذة عاكسة للتلسكوب الفلكي الكبير، ونافذة التشغيل ذات درجة الحرارة العالية، والمفاعلات، والمنشآت المشعة؛ والصواريخ، ومخروط الأنف للصواريخ، والفوهات والرادار، وأجزاء عزل الراديو للأقمار الصناعية؛ والتوازن الحراري، وجهاز الامتزاز الفراغي، والصب الدقيق... إلخ.
يُستخدم زجاج الكوارتز أيضًا في الصناعات الكيميائية، والمعادن، والكهرباء، والبحث العلمي، وغيرها. ففي الصناعة الكيميائية، يُستخدم في احتراق الغازات المقاومة للأحماض في درجات الحرارة العالية، وأجهزة التبريد والتهوية، ووحدات التخزين، وتحضير الماء المقطر، وحمض الهيدروكلوريك، وحمض النيتريك، وحمض الكبريتيك، وغيرها، وغيرها من التجارب الفيزيائية والكيميائية. وفي العمليات ذات درجات الحرارة العالية، يُستخدم كأنبوب قلب الفرن الكهربائي ومشعات احتراق الغاز. وفي مجال البصريات، يُستخدم زجاج الكوارتز وصوفه الزجاجي كفوهات صواريخ، ودروع حرارية للمركبات الفضائية، ونافذة مراقبة. باختصار، مع تطور العلوم والتكنولوجيا الحديثة، ازداد استخدام زجاج الكوارتز في مختلف المجالات.
مجالات تطبيق زجاج الكوارتز
مع خصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة، يتم استخدام زجاج الكوارتز على نطاق واسع في درجات الحرارة العالية، والتنظيف، ومقاومة التآكل، ونقل الضوء، والترشيح وغيرها من بيئات عملية إنتاج المنتجات عالية التقنية المحددة، وهو مادة مهمة لا غنى عنها في أشباه الموصلات، والفضاء الجوي، ومجالات الاتصالات البصرية.
مجال أشباه الموصلات
تُشكّل منتجات زجاج الكوارتز شبه الموصل 68% من سوق منتجات زجاج الكوارتز، ويُعدّ مجال أشباه الموصلات أكبر مجالات الاستخدام في سوق زجاج الكوارتز. تُستخدم مواد ومنتجات زجاج الكوارتز على نطاق واسع في عمليات تصنيع رقائق أشباه الموصلات، وتُستخدم لنقل الأجهزة والمواد الاستهلاكية للتجويف في عمليات النقش والانتشار والأكسدة لأشباه الموصلات.
مجال الاتصالات البصرية
قضبان الكوارتز هي المادة الخام الرئيسية لتصنيع الألياف الضوئية. أكثر من 95% من قضبان الألياف الجاهزة مُصنّعة من زجاج الكوارتز عالي النقاء، وتُستهلك كميات كبيرة من مواد زجاج الكوارتز في عملية إنتاج قضبان الألياف وسحب الأسلاك، مثل قضبان التثبيت وأكواب الكوارتز.
مجال البصريات
يتم استخدام مادة زجاج الكوارتز الاصطناعي كعدسة، ومنشور، وشاشة TFT-LCD HD ومادة ركيزة قناع الضوء IC في المجال البصري المتطور.
تُعدّ منتجات زجاج الكوارتز من المواد الاستهلاكية والمواد الخام الرئيسية في مختلف المجالات، مما يُقيّد إنتاج المنتجات في الصناعات التحويلية، ونظرًا لعدم وجود بدائل حاليًا، فإن الطلب على زجاج الكوارتز سيستمر على المدى الطويل. في الصناعات التحويلية، وخاصةً مع التطور المتسارع لصناعتي أشباه الموصلات والطاقة الكهروضوئية، سيستمر ازدهار صناعة زجاج الكوارتز في الازدياد.
| الكوارتز المندمج باللهب | الكوارتز المنصهر كهربائيًا | الكوارتز المعتم | الكوارتز الصناعي | ||
| الخصائص الميكانيكية | الكثافة (جم/سم)3) | 2.2 | 2.2 | 1.95-2.15 | 2.2 |
| معامل يونغ(المعدل التراكمي) | 74 | 74 | 74 | 74 | |
| نسبة بواسون | 0.17 | 0.17 | 0.17 | ||
| انحناء شارع رينغ(ميجا باسكال) | 65-95 | 65-95 | 42-68 | 65-95 | |
| قوة الضغط(ميجا باسكال) | 1100 | 1100 | 1100 | ||
| قوة الشد(ميجا باسكال) | 50 | 50 | 50 | ||
| قوة الالتواء(ميجا باسكال) | 30 | 30 | 30 | ||
| صلابة موس(ميجا باسكال) | 6-7 | 6-7 | 6-7 | ||
| قطر الفقاعة(مساءً) | 100 | ||||
| الخصائص الكهربائية | ثابت العزل الكهربائي (10 جيجاهرتز) | 3.74 | 3.74 | 3.74 | 3.74 |
| عامل الخسارة (10 جيجاهرتز) | 0.0002 | 0.0002 | 0.0002 | 0.0002 | |
| ديليك تري سانت رينغ(فولت/متر) | 3.7 × 107 | 3.7 × 107 | 3.7 × 107 | 3.7 × 107 | |
| المقاومة (20 درجة مئوية) (س)・سم) | >1 × 1016 | >1 × 1016 | >1 × 1016 | >1 × 1016 | |
| المقاومة (1000 درجة مئوية) (س • سم) | >1 × 106 | >1 × 106 | >1 × 106 | >1 × 106 | |
| الخصائص الحرارية | نقطة التليين (ج) | 1670 | 1710 | 1670 | 1600 |
| نقطة التلدين (ج) | 1150 | 1215 | 1150 | 1100 | |
| سانت راين بوينت(ج) | 1070 | 1150 | 1070 | 1000 | |
| الموصلية الحرارية(وزن/وزن・ك) | 1.38 | 1.38 | 1.24 | 1.38 | |
| الحرارة النوعية (20 درجة مئوية) (جول/كجم)・ك) | 749 | 749 | 749 | 790 | |
| معامل التمدد (X10)-7/ك) | أ:25ج~200ج6.4 | أ:25ج~100ج5.7 | أ:25ج~200ج6.4 | أ:25ج~200ج6.4 | |