Quarzglas
0102030405
Quarzglas
Konstruktionsmerkmal von Quarzglas
Reines Quarzglas besteht aus einer einzigen Siliciumdioxid-Komponente (SiO₂). Die Si-O-Bindungen im Quarzglas sind kurzreichweitig geordnet und langreichweitig ungeordnet. Aufgrund der hohen und stabilen Bindungsenergie der Si-O-Bindung weist Quarzglas eine hohe Erweichungstemperatur, ausgezeichnete spektrale Transmission, einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine sehr hohe chemische Stabilität, Strahlungsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer auch unter extremen Bedingungen auf.
Optische Eigenschaften
Quarzglas besitzt eine Reihe exzellenter optischer Eigenschaften. Im Vergleich zu normalem Glas weist hochreines Quarzglas eine gute Lichtdurchlässigkeit in einem extrem breiten Spektrum vom fernen Ultraviolett (160 nm) bis zum fernen Infrarot (5 μm) auf, was bei herkömmlichem optischem Glas nicht der Fall ist. Die hervorragende spektrale Transmission und die optische Homogenität machen Quarzglas zu einem weit verbreiteten Material für die Halbleiterlithografie und Präzisionsoptik. Darüber hinaus besitzt Quarzglas eine gute Strahlungsbeständigkeit. Strahlungsbeständiges Quarzglas wird daher häufig als Fenstermaterial für Raumfahrzeuge und als Schutzabdeckung für wichtige Komponenten von Weltraumlaboren eingesetzt.
Mechanische Eigenschaften
Quarzglas ist ähnlich wie normales Glas: Es ist ein sprödes und hartes Material. Wie bei normalem Glas werden die Festigkeitsparameter von Quarzglas von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Oberflächenbeschaffenheit, Geometrie und Prüfverfahren. Die Druckfestigkeit von transparentem Quarzglas liegt im Allgemeinen zwischen 490 und 1960 MPa, die Zugfestigkeit zwischen 50 und 70 MPa, die Biegefestigkeit zwischen 66 und 108 MPa und die Torsionsfestigkeit bei etwa 30 MPa.
Elektrische Eigenschaften
Quarzglas ist ein hervorragendes elektrisches Isoliermaterial. Im Vergleich zu normalem Glas weist Quarzglas einen höheren spezifischen Widerstand auf, der bei Raumtemperatur bis zu 1,8 × 10¹⁹ Ω∙cm beträgt. Darüber hinaus besitzt Quarzglas eine höhere Durchschlagspannung (etwa 20-mal höher als die von normalem Glas) und geringere dielektrische Verluste. Der spezifische Widerstand von Quarzglas sinkt mit steigender Temperatur leicht, wobei der Widerstand von opakem Quarzglas niedriger ist als der von transparentem Quarzglas.
Thermische Eigenschaften
Da Quarzglas fast ausschließlich aus starken Si-O-Bindungen besteht, ist seine Erweichungstemperatur sehr hoch und die Dauereinsatztemperatur kann 1000 °C erreichen. Darüber hinaus weist Quarzglas den niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten aller gängigen Industriegläser auf; sein linearer Ausdehnungskoeffizient kann bis zu 5 × 10⁻⁷/°C betragen. Speziell behandeltes Quarzglas kann sogar eine Ausdehnung von null erreichen. Quarzglas besitzt zudem eine sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit; selbst bei wiederholten, starken Temperaturwechseln innerhalb kurzer Zeit reißt es nicht. Diese hervorragenden thermischen Eigenschaften machen Quarzglas in Hochtemperatur- und extremen Arbeitsumgebungen unersetzlich.
Hochreines Quarzglas findet Anwendung in der Chipherstellung der Halbleiterindustrie, als Hilfsmaterial für die Glasfaserfertigung, in Beobachtungsfenstern für industrielle Hochtemperaturöfen, in Hochleistungs-Lichtquellen und als Wärmedämmschicht auf der Oberfläche des Space Shuttles. Dank seines extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten eignet es sich zudem für Präzisionsinstrumente und Linsenmaterialien für große astronomische Teleskope.
Chemische Eigenschaften
Quarzglas zeichnet sich durch eine sehr gute chemische Stabilität aus. Im Gegensatz zu anderen handelsüblichen Glassorten ist Quarzglas gegenüber Wasser chemisch stabil und eignet sich daher für Wasserdestilliergeräte, die Wasser von höchster Reinheit erfordern. Quarzglas besitzt eine ausgezeichnete Säure- und Salzbeständigkeit und reagiert daher mit den meisten Säuren und Salzen nicht, mit Ausnahme von Fluorwasserstoffsäure, Phosphorsäure und basischen Salzlösungen. Im Vergleich zu Säuren und Salzen weist Quarzglas eine geringe Alkalibeständigkeit auf und reagiert bei hohen Temperaturen mit alkalischen Lösungen. Darüber hinaus reagiert Quarzglas bei normalen Temperaturen nicht mit den meisten Oxiden, Metallen, Nichtmetallen und Gasen. Die extrem hohe Reinheit und die gute chemische Stabilität machen Quarzglas geeignet für den Einsatz in Umgebungen mit hohen Produktionsbedingungen in der Halbleiterfertigung.
Sonstige Eigenschaften
Permeabilität: Quarzglas besitzt eine sehr lockere Struktur und lässt selbst bei hohen Temperaturen Ionen bestimmter Gase durch das Netzwerk diffundieren. Natriumionen diffundieren dabei am schnellsten. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für Anwender, beispielsweise in der Halbleiterindustrie, wo Quarzglas als Hochtemperaturbehälter oder Diffusionsrohr eingesetzt wird. Aufgrund der hohen Reinheit des Halbleitermaterials muss das feuerfeste Material, das als Ofenauskleidung mit Quarzglas in Kontakt kommt, vorbehandelt werden. Dabei werden alkalische Verunreinigungen wie Kalium und Natrium entfernt, bevor das Material in das Quarzglas eingebracht werden kann.
Anwendung von Quarzglas
Als wichtiger Werkstoff findet Quarzglas breite Anwendung in der optischen Kommunikation, der Luft- und Raumfahrt, bei elektrischen Lichtquellen, in der Halbleiterindustrie und in optischen Neutechnologien.
1. Optischer Kommunikationsbereich: Quarzglas ist ein Hilfsmaterial für die Herstellung von vorgefertigten Glasfaserstäben und Glasfaserziehstäben und dient hauptsächlich dem Markt für Basisstationsverbindungen. Mit dem Aufkommen des 5G-Zeitalters ist eine enorme Marktnachfrage nach Glasfasern entstanden.
2. Neue Lichtarten: Hochdruck-Quecksilberdampflampe, Xenonlampe, Wolframiodidlampe, Thalliumiodidlampe, Infrarotlampe und keimtötende Lampe.
3. Halbleiteraspekt: Quarzglas ist ein unverzichtbarer Werkstoff im Herstellungsprozess von Halbleitermaterialien und -bauelementen, wie z. B. gezüchtetem Germanium, Tiegeln für Silizium-Einkristalle, Ofenkernrohren und Glasglocken usw.
4. Im Bereich neuer Technologien: mit seinen hervorragenden Eigenschaften in den Bereichen Schall, Licht und Elektrizität, Ultraschall-Verzögerungsleitungen für Radar, Infrarot-Ortung und Peilung, Prismen, Linsen für Infrarotfotografie, Kommunikation, Spektrographen, Spektrophotometer, reflektierende Fenster für große astronomische Teleskope, Hochtemperatur-Betriebsfenster, Reaktoren, radioaktive Anlagen; Raketen, Raketenspitzen, Düsen und Radome, Funkisolierungsteile für künstliche Satelliten; Thermowaagen, Vakuumadsorptionsgeräte, Präzisionsguss usw.
Quarzglas findet auch in der chemischen Industrie, der Metallurgie, der Elektrotechnik, der wissenschaftlichen Forschung und weiteren Bereichen Anwendung. In der chemischen Industrie wird es für die Verbrennung von hochtemperaturbeständigen, säurebeständigen Gasen, für Kühl- und Belüftungsanlagen, Lagerbehälter sowie zur Herstellung von destilliertem Wasser, Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure usw. und für andere physikalische und chemische Experimente eingesetzt. Bei hohen Temperaturen dient es als Kernrohr in Elektroöfen und als Gasverbrennungskühler. In der Optik werden Quarzglas und Quarzglaswolle für Raketendüsen, Hitzeschilde von Raumfahrzeugen und Beobachtungsfenster verwendet. Kurz gesagt, mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik hat Quarzglas in verschiedenen Bereichen immer breitere Anwendung gefunden.
Anwendungsgebiete von Quarzglas
Quarzglas ist aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften in der Herstellung von Hightech-Produkten weit verbreitet und wird in Umgebungen mit hohen Temperaturen, Reinheitsanforderungen, Korrosionsbeständigkeit, Lichtdurchlässigkeit, Filterung und anderen spezifischen Anforderungen eingesetzt. Es ist ein unverzichtbarer Werkstoff in der Halbleiter-, Luft- und Raumfahrt- sowie optischen Kommunikationsindustrie.
Halbleiterbereich
Quarzglasprodukte für die Halbleiterindustrie machen 68 % des Quarzglasmarktes aus und stellen den größten Anwendungsbereich im nachgelagerten Quarzglasmarkt dar. Quarzglasmaterialien und -produkte werden in der Halbleiterchip-Herstellung häufig eingesetzt und dienen als Träger für Bauelemente und Kavitätenmaterialien bei Ätz-, Diffusions- und Oxidationsprozessen in der Halbleiterindustrie.
Optisches Kommunikationsgebiet
Quarzstäbe sind der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Glasfasern. Über 95 % der vorgefertigten Faserstäbe bestehen aus hochreinem Quarzglas, und große Mengen an Quarzglas werden im Produktionsprozess der Faserstabherstellung und des Drahtziehens verbraucht, beispielsweise für Haltestäbe und Quarzbecher.
Optik eingereicht
Synthetisches Quarzglas wird im High-End-Bereich der Optik als Linsen-, Prismen-, TFT-LCD-HD-Display- und IC-Lichtmasken-Substratmaterial verwendet.
Quarzglasprodukte sind wichtige Verbrauchsmaterialien und Rohstoffe in verschiedenen Branchen und schränken die Produktion in nachgelagerten Industrien ein. Da es derzeit keine Alternativen gibt, besteht eine langfristige Nachfrage nach Quarzglas. Insbesondere in den nachgelagerten Branchen, die ein rasantes Wachstum der Halbleiter- und Photovoltaikindustrie verzeichnen, wird die Quarzglasindustrie weiterhin florieren.
| Flammgeschmolzener Quarz | Elektrischer Quarz | Undurchsichtiger Quarz | Synthetischer Quarz | ||
| Mechanische Eigenschaften | Dichte (g/cm³)3) | 2.2 | 2.2 | 1,95-2,15 | 2.2 |
| Elastizitätsmodul(Gpa) | 74 | 74 | 74 | 74 | |
| Poisson-Verhältnis | 0,17 | 0,17 | 0,17 | ||
| Biegefestigkeit(MPa) | 65-95 | 65-95 | 42-68 | 65-95 | |
| Druckfestigkeit(MPa) | 1100 | 1100 | 1100 | ||
| Zugfestigkeit(MPa) | 50 | 50 | 50 | ||
| Torsionsfestigkeit(MPa) | 30 | 30 | 30 | ||
| Mohs-Härte(MPa) | 6-7 | 6-7 | 6-7 | ||
| Blasendurchmesser(Uhr) | 100 | ||||
| Elektrische Eigenschaften | Dielektrizitätskonstante (10 GHz) | 3,74 | 3,74 | 3,74 | 3,74 |
| Verlustfaktor (10 GHz) | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | |
| Dielec trie St reng th(V/m) | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | |
| Spezifischer Widerstand (20 °C) (Q・cm) | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | |
| Spezifischer Widerstand (1000 °C) (Q • cm) | >1X106 | >1X106 | >1X106 | >1X106 | |
| Thermische Eigenschaften | Erweichungspunkt (C) | 1670 | 1710 | 1670 | 1600 |
| Glühpunkt (C) | 1150 | 1215 | 1150 | 1100 | |
| St rain Point(C) | 1070 | 1150 | 1070 | 1000 | |
| Wärmeleitfähigkeit(W/M・K) | 1,38 | 1,38 | 1,24 | 1,38 | |
| Spezifische Wärmekapazität (20 °C) (J/kg)・K) | 749 | 749 | 749 | 790 | |
| Ausdehnungskoeffizient (X10-7/K） | A：25C~200C6.4 | A：25C~100C5,7 | A：25C~200C6.4 | A：25C~200C6.4 | |