شیشه کوارتز
شیشه کوارتز ذوب شده با انواع مختلف کوارتز طبیعی خالص
ویژگی ساخت شیشه کوارتز
شیشه کوارتز خالص از یک جزء سیلیس (SiO₂) تشکیل شده است و پیوندهای Si-O در شیشه کوارتز در حالت منظم کوتاه برد و نامنظم بلند برد قرار دارند. به دلیل انرژی پیوند قوی و پایدار پیوند Si-O، شیشه کوارتز دارای دمای نرم شدن بالا، عبور طیفی عالی، ضریب انبساط حرارتی و رسانایی بسیار پایین، پایداری شیمیایی بسیار بالا، مقاومت در برابر تابش و عمر کاری طولانی در شرایط سخت است.
خاصیت نوری
شیشه کوارتز طیف وسیعی از خواص نوری عالی را داراست. در مقایسه با شیشه معمولی، شیشه کوارتز با خلوص بالا، در طیف بسیار وسیعی از فرابنفش دور (160 نانومتر) تا فروسرخ دور (5 میکرومتر) عبور خوبی دارد که در شیشه نوری عمومی موجود نیست. عبور طیفی عالی و یکنواختی نوری، شیشه کوارتز را به طور گسترده در لیتوگرافی نیمه هادی و دستگاههای نوری دقیق مورد استفاده قرار میدهد. علاوه بر این، شیشه کوارتز مقاومت خوبی در برابر تابش دارد، شیشه کوارتز با مقاومت در برابر تابش به طور گسترده به عنوان ماده پنجره برای فضاپیماها، پوششهای محافظ برای اجزای کلیدی آزمایشگاه فضایی مورد استفاده قرار گرفته است.
خاصیت مکانیکی
شیشه کوارتز مشابه شیشه معمولی است، آنها شکننده و سخت هستند. همانند شیشه معمولی، پارامترهای استحکام شیشه کوارتز تحت تأثیر عوامل زیادی از جمله حالت سطح، هندسه و روش آزمایش قرار میگیرند. مقاومت فشاری شیشه کوارتز شفاف عموماً 490 تا 1960 مگاپاسکال، مقاومت کششی 50 تا 70 مگاپاسکال، مقاومت خمشی 66 تا 108 مگاپاسکال و مقاومت پیچشی حدود 30 مگاپاسکال است.
خواص الکتریکی
شیشه کوارتز یک ماده عایق الکتریکی عالی است. در مقایسه با شیشه معمولی، شیشه کوارتز مقاومت ویژه بالاتری دارد و مقاومت ویژه شیشه کوارتز در دمای اتاق به بزرگی 1.8×1019Ω∙cm است. علاوه بر این، شیشه کوارتز ولتاژ شکست بالاتری (حدود 20 برابر شیشه معمولی) و تلفات دی الکتریک کمتری دارد. مقاومت ویژه شیشه کوارتز با افزایش دما کمی کاهش مییابد و مقاومت ویژه شیشه کوارتز مات کمتر از شیشه کوارتز شفاف است.
خاصیت حرارتی
از آنجا که شیشه کوارتز تقریباً تماماً از پیوند قوی Si-O تشکیل شده است، دمای نرم شدن آن بسیار بالا است و دمای کار طولانی مدت آن میتواند به 1000 درجه سانتیگراد برسد. علاوه بر این، ضریب انبساط حرارتی شیشه کوارتز کمترین میزان را در بین شیشههای صنعتی رایج دارد و ضریب انبساط خطی آن میتواند به 5×10-7/℃ برسد. شیشه کوارتز با عملیات ویژه حتی میتواند به انبساط صفر برسد. شیشه کوارتز همچنین مقاومت بسیار خوبی در برابر شوک حرارتی دارد، حتی اگر در مدت زمان کوتاهی بارها و بارها اختلاف دمای زیادی را تجربه کند، ترک نمیخورد. این خواص حرارتی عالی، شیشه کوارتز را در دمای بالا و محیطهای کاری دشوار غیرقابل جایگزین میکند.
شیشه کوارتز با خلوص بالا میتواند در تولید تراشه در صنعت نیمههادی، مواد کمکی برای تولید فیبر نوری، پنجرههای رصد برای کورههای صنعتی با دمای بالا، منابع نور الکتریکی پرقدرت و سطح شاتل فضایی به عنوان یک لایه عایق حرارتی مورد استفاده قرار گیرد. ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین همچنین امکان استفاده از شیشه کوارتز را در ابزارهای دقیق و مواد لنز برای تلسکوپهای بزرگ نجومی فراهم میکند.
خواص شیمیایی
شیشه کوارتز پایداری شیمیایی بسیار خوبی دارد. برخلاف سایر شیشههای تجاری، شیشه کوارتز از نظر شیمیایی در برابر آب پایدار است، بنابراین میتوان از آن در دستگاههای تقطیر آب که به خلوص بسیار بالای آب نیاز دارند، استفاده کرد. شیشه کوارتز مقاومت عالی در برابر اسید و نمک دارد، بنابراین میتوان از آن در دستگاههای تقطیر آب که به خلوص بسیار بالای آب نیاز دارند، استفاده کرد. شیشه کوارتز مقاومت عالی در برابر اسید و نمک دارد. به جز محلولهای اسید هیدروفلوئوریک، اسید فسفریک و نمکهای بازی، با اکثر اسیدها و محلولهای نمکی واکنش نمیدهد. در مقایسه با محلولهای اسیدی و نمکی، شیشه کوارتز مقاومت قلیایی ضعیفی دارد و در دماهای بالا با محلولهای قلیایی واکنش میدهد. علاوه بر این، شیشه کوارتز و اکثر اکسیدها، فلزات، غیرفلزات و گازها در دماهای معمولی واکنش نمیدهند. خلوص بسیار بالا و پایداری شیمیایی خوب، شیشه کوارتز را برای استفاده در محیطهایی با شرایط تولید بالا در تولید نیمههادیها مناسب میکند.
سایر املاک
نفوذپذیری: ساختار شیشه کوارتز بسیار آرام است و حتی در دماهای بالا به یونهای گازهای خاص اجازه میدهد تا از طریق شبکه پخش شوند. انتشار یونهای سدیم سریعترین است. این عملکرد شیشه کوارتز به ویژه برای کاربران مهم است، به عنوان مثال، هنگامی که شیشه کوارتز به عنوان یک ظرف با دمای بالا یا لوله انتشار در صنعت نیمههادی استفاده میشود، به دلیل خلوص بالای ماده نیمههادی، ماده نسوز در تماس با شیشه کوارتز به عنوان پوشش کوره باید با دمای بالا و تمیز کردن، حذف ناخالصیهای قلیایی پتاسیم و سدیم، از قبل فرآوری شود و سپس میتواند برای استفاده در شیشه کوارتز قرار گیرد.
کاربرد شیشه کوارتز
به عنوان یک ماده مهم، شیشه کوارتز به طور گسترده در ارتباطات نوری، هوافضا، منبع نور الکتریکی، نیمه هادی، فناوری جدید نوری استفاده میشود.
۱. حوزه ارتباطات نوری: شیشه کوارتز یک ماده کمکی برای تولید میلههای پیشساخته فیبر نوری و کشش فیبر نوری است که عمدتاً در بازار اتصال ایستگاههای پایه مورد استفاده قرار میگیرد و با ورود به دوران 5G، تقاضای زیادی برای فیبر نوری در بازار ایجاد شده است.
۲. جنبه نوری جدید: لامپ جیوهای فشار بالا، لامپ زنون، لامپ یدید تنگستن، لامپ یدید تالیوم، لامپ مادون قرمز و لامپ میکروبکش.
۳. جنبه نیمهرسانایی: شیشه کوارتز یک ماده ضروری در فرآیند تولید مواد و دستگاههای نیمهرسانا مانند ژرمانیوم رشد یافته، بوته سیلیکون تک کریستال، لوله هسته کوره و شیشه زنگوله و غیره است.
۴. در زمینه فناوریهای نوین: با عملکرد عالی در صدا، نور و الکتریسیته، خط تأخیر فراصوت روی رادار، جهتیابی ردیابی مادون قرمز، منشور، لنز عکاسی مادون قرمز، ارتباطات، طیفنگار، اسپکتروفتومتر، پنجره بازتابنده تلسکوپ نجومی بزرگ، پنجره عملیات دمای بالا، راکتورها، تأسیسات رادیواکتیو؛ موشکها، دماغه مخروطی موشکها، نازلها و رادوم، قطعات عایق رادیویی برای ماهوارههای مصنوعی؛ ترموبالانس، دستگاه جذب خلاء، ریختهگری دقیق... و غیره.
شیشه کوارتز همچنین در صنایع شیمیایی، متالورژی، برق، تحقیقات علمی و سایر جنبهها مورد استفاده قرار میگیرد. در صنایع شیمیایی، میتوان از آن در احتراق گاز مقاوم در برابر اسید در دمای بالا، دستگاههای خنککننده و تهویه؛ دستگاه ذخیرهسازی؛ تهیه آب مقطر، اسید هیدروکلریک، اسید نیتریک، اسید سولفوریک و غیره و سایر آزمایشهای فیزیکی و شیمیایی استفاده کرد. در عملیات دمای بالا، میتوان از آن به عنوان لوله هسته کوره الکتریکی و رادیاتور احتراق گاز استفاده کرد. در اپتیک، شیشه کوارتز و پشم شیشه کوارتز میتوانند به عنوان نازل موشک، سپر حرارتی فضاپیما و پنجره مشاهده استفاده شوند. به طور خلاصه، با توسعه علم و فناوری مدرن، شیشه کوارتز در زمینههای مختلف کاربرد بیشتری پیدا کرده است.
زمینه های کاربرد شیشه کوارتز
با خواص فیزیکی و شیمیایی عالی، شیشه کوارتز به طور گسترده در دمای بالا، تمیز، مقاومت در برابر خوردگی، انتقال نور، فیلتر کردن و سایر محیطهای فرآیند تولید محصولات با تکنولوژی بالا مورد استفاده قرار میگیرد و یک ماده مهم ضروری در نیمههادیها، هوافضا، زمینههای ارتباط نوری است.
میدان نیمههادی
محصولات شیشه کوارتز نیمههادی ۶۸٪ از بازار محصولات شیشه کوارتز را تشکیل میدهند و حوزه نیمههادی بزرگترین حوزه کاربردی در بازار پاییندستی شیشه کوارتز است. مواد و محصولات شیشه کوارتز به طور گسترده در فرآیند تولید تراشههای نیمههادی مورد استفاده قرار میگیرند و برای حمل دستگاهها و مواد مصرفی حفره برای فرآیندهای حکاکی، انتشار و اکسیداسیون نیمههادی مورد نیاز هستند.
زمینه ارتباطات نوری
میلههای کوارتز ماده اولیه اصلی برای تولید فیبر نوری هستند. بیش از ۹۵٪ میلههای فیبر پیشساخته به شیشه کوارتز با خلوص بالا تقسیم میشوند و مقدار زیادی از مواد شیشه کوارتز در فرآیند تولید میله فیبر و کشش سیم، مانند میلههای نگهدارنده و فنجانهای کوارتز، مصرف میشوند.
اپتیک ثبت شد
مواد شیشه کوارتز مصنوعی به عنوان لنز، منشور، صفحه نمایش TFT-LCD HD و ماده زیرلایه ماسک نوری IC در زمینه نوری پیشرفته استفاده میشود.
محصولات شیشه کوارتز مواد مصرفی و خام کلیدی در زمینههای مختلف هستند که تولید محصولات در صنایع پاییندستی را محدود میکنند و در حال حاضر هیچ محصول جایگزینی وجود ندارد، بنابراین تقاضا برای شیشه کوارتز بلندمدت است. در صنایع پاییندستی، به ویژه توسعه شتابان صنایع نیمهرسانا و فتوولتائیک، رونق صنعت شیشه کوارتز همچنان رو به افزایش خواهد بود.
| کوارتز ذوب شده با شعله | کوارتز ذوب شده برقی | کوارتز مات | کوارتز مصنوعی | ||
| خواص مکانیکی | تراکم (گرم بر سانتیمتر مکعب)۳) | ۲.۲ | ۲.۲ | ۱.۹۵-۲.۱۵ | ۲.۲ |
| مدول یانگ(معدل) | ۷۴ | ۷۴ | ۷۴ | ۷۴ | |
| نسبت پواسون | ۰.۱۷ | ۰.۱۷ | ۰.۱۷ | ||
| خیابان خم شدن(مگاپاسکال) | ۶۵-۹۵ | ۶۵-۹۵ | ۴۲-۶۸ | ۶۵-۹۵ | |
| مقاومت فشاری(مگاپاسکال) | ۱۱۰۰ | ۱۱۰۰ | ۱۱۰۰ | ||
| مقاومت کششی(مگاپاسکال) | ۵۰ | ۵۰ | ۵۰ | ||
| مقاومت پیچشی(مگاپاسکال) | ۳۰ | ۳۰ | ۳۰ | ||
| سختی موس(مگاپاسکال) | ۶-۷ | ۶-۷ | ۶-۷ | ||
| قطر حباب(بعد از ظهر) | ۱۰۰ | ||||
| خواص الکتریکی | ثابت دی الکتریک (10 گیگاهرتز) | ۳.۷۴ | ۳.۷۴ | ۳.۷۴ | ۳.۷۴ |
| ضریب تلفات (10 گیگاهرتز) | ۰.۰۰۰۲ | ۰.۰۰۰۲ | ۰.۰۰۰۲ | ۰.۰۰۰۲ | |
| دی الکتریک تری استریت رنگ هفتم(ولت بر متر) | ۳.۷X۱۰۷ | ۳.۷X۱۰۷ | ۳.۷X۱۰۷ | ۳.۷X۱۰۷ | |
| مقاومت ویژه (20 درجه سانتیگراد) (Q)·سانتیمتر） | >۱X۱۰۱۶ | >۱X۱۰۱۶ | >۱X۱۰۱۶ | >۱X۱۰۱۶ | |
| مقاومت ویژه (1000℃) (Q • سانتیمتر) | >۱X۱۰۶ | >۱X۱۰۶ | >۱X۱۰۶ | >۱X۱۰۶ | |
| خواص حرارتی | نقطه نرم شدن (C) | ۱۶۷۰ | ۱۷۱۰ | ۱۶۷۰ | ۱۶۰۰ |
| نقطه آنیل (C) | ۱۱۵۰ | ۱۲۱۵ عدد | ۱۱۵۰ | ۱۱۰۰ | |
| نقطه باران سنت(سی) | ۱۰۷۰ | ۱۱۵۰ | ۱۰۷۰ | ۱۰۰۰ | |
| رسانایی حرارتی(وزن/ماه·ک) | ۱.۳۸ | ۱.۳۸ | ۱.۲۴ | ۱.۳۸ | |
| گرمای ویژه (20℃) (ژول/کیلوگرم)·ک） | 749 | 749 | 749 | ۷۹۰ | |
| ضریب انبساط (X10)-7/ک） | الف:۲۵سیحدود ۲۰۰سی۶.۴ | الف:۲۵سیحدود ۱۰۰سی۵.۷ | الف:۲۵سیحدود ۲۰۰سی۶.۴ | الف:۲۵سیحدود ۲۰۰سی۶.۴ | |