Verre de quartz
Verre de quartz
Caractéristiques de construction du verre de quartz
Le verre de quartz pur est composé d'un seul composant de silice (SiO₂), et les liaisons Si-O dans le verre de quartz sont organisées dans un état ordonné à courte portée et désordonné à longue portée. En raison de l'énergie de liaison forte et stable de la liaison Si-O, le verre de quartz possède une température de ramollissement élevée, une excellente transmittance spectrale, un coefficient de dilatation thermique et une conductivité très faibles, une très grande stabilité chimique, une résistance aux radiations et une longue durée de vie en conditions extrêmes.
propriété optique
Le verre de quartz possède d'excellentes propriétés optiques. Comparé au verre ordinaire, le verre de quartz de haute pureté présente une transmittance élevée sur un spectre extrêmement large, allant de l'ultraviolet lointain (160 nm) à l'infrarouge lointain (5 µm), ce qui est impossible avec les verres optiques courants. Son excellente transmittance spectrale et son uniformité optique font du verre de quartz un matériau largement utilisé en lithographie des semi-conducteurs et dans les dispositifs optiques de précision. De plus, sa bonne résistance aux radiations explique son utilisation fréquente comme matériau pour les fenêtres des engins spatiaux et comme protection pour les composants essentiels des laboratoires spatiaux.
Propriétés mécaniques
Le verre de quartz est semblable au verre ordinaire : c’est un matériau cassant et dur. Comme pour le verre ordinaire, ses propriétés mécaniques sont influencées par de nombreux facteurs, notamment l’état de surface, la géométrie et la méthode d’essai. La résistance à la compression du verre de quartz transparent est généralement de 490 à 1960 MPa, sa résistance à la traction de 50 à 70 MPa, sa résistance à la flexion de 66 à 108 MPa et sa résistance à la torsion d’environ 30 MPa.
propriétés électriques
Le verre de quartz est un excellent isolant électrique. Comparé au verre ordinaire, il présente une résistivité plus élevée, atteignant 1,8 × 10¹⁹ Ω∙cm à température ambiante. De plus, sa tension de claquage est environ 20 fois supérieure à celle du verre ordinaire, et ses pertes diélectriques sont plus faibles. La résistivité du verre de quartz diminue légèrement avec l'augmentation de la température, et celle du verre de quartz opaque est inférieure à celle du verre de quartz transparent.
propriétés thermiques
Le verre de quartz étant composé presque exclusivement de liaisons Si-O fortes, sa température de ramollissement est très élevée et sa température de service continue peut atteindre 1000 °C. De plus, son coefficient de dilatation thermique est le plus faible parmi les verres industriels courants, avec un coefficient de dilatation linéaire pouvant atteindre 5 × 10⁻⁷/°C. Un traitement spécifique permet même d'obtenir une dilatation nulle. Le verre de quartz présente également une excellente résistance aux chocs thermiques : même soumis à des variations de température importantes et répétées sur une courte période, il ne se fissure pas. Ces propriétés thermiques exceptionnelles rendent le verre de quartz irremplaçable dans les environnements de travail à haute température et extrêmes.
Le verre de quartz de haute pureté peut être utilisé dans la fabrication de puces pour l'industrie des semi-conducteurs, comme matériau auxiliaire pour la fabrication de fibres optiques, pour les fenêtres d'observation des fours industriels à haute température, pour les sources de lumière électrique de forte puissance et comme couche d'isolation thermique pour la surface de la navette spatiale. Son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible permet également son utilisation dans les instruments de précision et comme matériau pour les lentilles des grands télescopes astronomiques.
propriétés chimiques
Le verre de quartz possède une excellente stabilité chimique. Contrairement à d'autres verres commerciaux, il est chimiquement stable à l'eau et peut donc être utilisé dans les distillateurs d'eau exigeant une eau de très haute pureté. Le verre de quartz présente également une excellente résistance aux acides et aux sels. À l'exception de l'acide fluorhydrique, de l'acide phosphorique et des solutions salines basiques, il ne réagit pas avec la plupart des acides et des solutions salines. En revanche, sa résistance aux solutions alcalines est faible ; il réagit avec ces dernières à haute température. De plus, à température ambiante, le verre de quartz ne réagit pas avec la plupart des oxydes, métaux, non-métaux et gaz. Son extrême pureté et son excellente stabilité chimique rendent le verre de quartz particulièrement adapté aux environnements de production exigeants de l'industrie des semi-conducteurs.
Autres propriétés
Perméabilité : La structure du verre de quartz est très souple et, même à haute température, elle permet la diffusion des ions de certains gaz à travers son réseau. La diffusion des ions sodium est la plus rapide. Cette propriété du verre de quartz est particulièrement importante pour les utilisateurs, par exemple lorsqu'il est utilisé comme conteneur haute température ou tube de diffusion dans l'industrie des semi-conducteurs. En raison de la haute pureté du matériau semi-conducteur, le matériau réfractaire en contact avec le verre de quartz, utilisé comme revêtement de four, doit être prétraité à haute température et nettoyé afin d'éliminer les impuretés alcalines de potassium et de sodium, avant d'être mis en contact avec le verre de quartz.
Application du verre de quartz
Matériau important, le verre de quartz est largement utilisé dans les communications optiques, l'aérospatiale, les sources de lumière électrique, les semi-conducteurs et les nouvelles technologies optiques.
1. Domaine des communications optiques : le verre de quartz est un matériau auxiliaire pour la production de tiges préfabriquées de fibres optiques et le tréfilage de fibres optiques, principalement destiné au marché de l'interconnexion des stations de base, et l'arrivée de l'ère 5G a engendré une énorme demande du marché pour la fibre optique.
2. Nouveaux aspects de l'éclairage : lampe à mercure haute pression, lampe au xénon, lampe à iodure de tungstène, lampe à iodure de thallium, lampe infrarouge et lampe germicide.
3. Aspect semi-conducteur : Le verre de quartz est un matériau indispensable dans le processus de production de matériaux et de dispositifs semi-conducteurs, tels que le germanium cultivé, le creuset de monocristaux de silicium, le tube noyau de four et la cloche à vide...etc.
4. Dans le domaine des nouvelles technologies : grâce à ses excellentes performances en matière de son, de lumière et d’électricité, lignes à retard ultrasoniques pour radars, radiogoniométrie infrarouge, prismes, lentilles pour la photographie infrarouge, communications, spectrographes, spectrophotomètres, fenêtres réfléchissantes pour grands télescopes astronomiques, fenêtres de fonctionnement à haute température, réacteurs, installations radioactives ; fusées, ogives de missiles, tuyères et radômes, pièces d’isolation radio pour satellites artificiels ; thermobalances, dispositifs d’adsorption sous vide, moulage de précision… etc.
Le verre de quartz est également utilisé dans l'industrie chimique, la métallurgie, l'électronique, la recherche scientifique et d'autres domaines. Dans l'industrie chimique, il permet la combustion de gaz à haute température et en milieu acide, la fabrication de dispositifs de refroidissement et de ventilation, de dispositifs de stockage, la préparation d'eau distillée, d'acide chlorhydrique, d'acide nitrique, d'acide sulfurique, etc., ainsi que diverses expériences physico-chimiques. À haute température, il sert de tube central pour les fours électriques et de radiateur pour la combustion de gaz. En optique, le verre de quartz et la laine de verre de quartz sont utilisés pour les tuyères de fusées, les boucliers thermiques des engins spatiaux et les hublots d'observation. En résumé, avec le développement des sciences et des technologies modernes, le verre de quartz est de plus en plus utilisé dans divers domaines.
Domaines d'application du verre de quartz
Grâce à ses excellentes propriétés physiques et chimiques, le verre de quartz est largement utilisé dans les processus de production de produits de haute technologie nécessitant des températures élevées, une propreté optimale, une résistance à la corrosion, une bonne transmission de la lumière, une filtration adéquate et d'autres exigences spécifiques. Il constitue un matériau indispensable dans les domaines des semi-conducteurs, de l'aérospatiale et des communications optiques.
Domaine des semi-conducteurs
Les produits en verre de quartz pour semi-conducteurs représentent 68 % du marché des produits en verre de quartz, et le secteur des semi-conducteurs constitue le principal domaine d'application en aval. Les matériaux et produits en verre de quartz sont largement utilisés dans la fabrication des puces semi-conductrices et servent notamment de supports et de consommables pour les cavités lors des procédés de gravure, de diffusion et d'oxydation des semi-conducteurs.
champ de communication optique
Les barres de quartz constituent la principale matière première pour la fabrication des fibres optiques. Plus de 95 % des barres de fibres préfabriquées sont composées de verre de quartz de haute pureté, et une grande quantité de ce matériau est consommée lors de la production des barres de fibres et du tréfilage, notamment pour la fabrication des supports et des coupelles en quartz.
Optique déposée
Le verre de quartz synthétique est utilisé comme matériau de substrat pour lentilles, prismes, écrans TFT-LCD HD et masques de lumière pour circuits intégrés dans le domaine optique haut de gamme.
Les produits en verre de quartz sont des consommables et des matières premières essentiels dans divers secteurs, limitant la production de biens dans l'industrie en aval. En l'absence de produits alternatifs à l'heure actuelle, la demande en verre de quartz est assurée à long terme. Dans les industries en aval, et notamment avec le développement rapide des secteurs des semi-conducteurs et du photovoltaïque, la prospérité de l'industrie du verre de quartz devrait continuer de croître.
| Quartz fusionné à la flamme | Quartz électrique fondu | Quartz opaque | Quartz synthétique | ||
| Propriétés mécaniques | Densité (g/cm³)3) | 2.2 | 2.2 | 1,95-2,15 | 2.2 |
| Module de Young(Gpa) | 74 | 74 | 74 | 74 | |
| Coefficient de Poisson | 0,17 | 0,17 | 0,17 | ||
| Force de flexion(MPa) | 65-95 | 65-95 | 42-68 | 65-95 | |
| Résistance à la compression(MPa) | 1100 | 1100 | 1100 | ||
| Résistance à la traction(MPa) | 50 | 50 | 50 | ||
| Résistance à la torsion(MPa) | 30 | 30 | 30 | ||
| Dureté de Mohs(MPa) | 6-7 | 6-7 | 6-7 | ||
| Diamètre de la bulle(PM) | 100 | ||||
| Propriétés électriques | Constante diélectrique (10 GHz) | 3,74 | 3,74 | 3,74 | 3,74 |
| Facteur de perte (10 GHz) | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | |
| Force diélectrique(V/m) | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | |
| Résistivité (20 °C) (Q)・cm) | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | |
| Résistivité (1000 °C) (Q •cm) | >1X106 | >1X106 | >1X106 | >1X106 | |
| Propriétés thermiques | Point de ramollissement (C) | 1670 | 1710 | 1670 | 1600 |
| Point de recuit (C) | 1150 | 1215 | 1150 | 1100 | |
| Point de tension(C) | 1070 | 1150 | 1070 | 1000 | |
| Conductivité thermique(H/F・K) | 1,38 | 1,38 | 1.24 | 1,38 | |
| Chaleur spécifique (20 °C) (J/kg)・K) | 749 | 749 | 749 | 790 | |
| Coefficient de dilatation (X10)-7/K) | un：25C~200C6.4 | un：25C~100C5.7 | un：25C~200C6.4 | un：25C~200C6.4 | |