Vetro di quarzo
vetro di quarzo
Caratteristica costruttiva del vetro al quarzo
Il vetro di quarzo puro è composto da un singolo componente di silice (SiO₂) e i legami Si-O nel vetro di quarzo sono disposti in uno stato ordinato a breve raggio e disordinato a lungo raggio. Grazie alla forte e stabile energia di legame del legame Si-O, il vetro di quarzo ha un'elevata temperatura di rammollimento, un'eccellente trasmittanza spettrale, un coefficiente di dilatazione termica e conduttività molto bassi, un'altissima stabilità chimica, resistenza alle radiazioni e caratteristiche di lunga durata in condizioni estreme.
Proprietà ottica
Il vetro di quarzo presenta una gamma di eccellenti proprietà ottiche. Rispetto al vetro comune, il vetro di quarzo ad alta purezza presenta una buona trasmittanza in uno spettro estremamente ampio, dall'ultravioletto lontano (160 nm) all'infrarosso lontano (5 μm), non disponibile nel vetro ottico generico. L'eccellente trasmittanza spettrale e l'uniformità ottica rendono il vetro di quarzo ampiamente utilizzato nella litografia a semiconduttore e nei dispositivi ottici di precisione. Inoltre, il vetro di quarzo presenta una buona resistenza alle radiazioni; il vetro di quarzo con resistenza alle radiazioni è stato ampiamente utilizzato come materiale per finestre di veicoli spaziali e coperture protettive per componenti chiave dei laboratori spaziali.
Proprietà meccanica
Il vetro di quarzo è simile al vetro comune, è un materiale fragile e duro. Come per il vetro comune, i parametri di resistenza del vetro di quarzo sono influenzati da molti fattori, tra cui lo stato della superficie, la geometria e il metodo di prova. La resistenza alla compressione del vetro di quarzo trasparente è generalmente compresa tra 490 e 1960 MPa, la resistenza alla trazione tra 50 e 70 MPa, la resistenza alla flessione tra 66 e 108 MPa e la resistenza alla torsione tra 30 MPa.
Proprietà elettriche
Il vetro di quarzo è un eccellente materiale isolante elettrico. Rispetto al vetro comune, il vetro di quarzo ha una resistività più elevata, che a temperatura ambiente può raggiungere i 1,8×1019Ω∙cm. Inoltre, il vetro di quarzo ha una tensione di rottura più elevata (circa 20 volte quella del vetro comune) e una minore perdita dielettrica. La resistività del vetro di quarzo diminuisce leggermente con l'aumentare della temperatura, e la resistività del vetro di quarzo opaco è inferiore a quella del vetro di quarzo trasparente.
Proprietà termica
Poiché il vetro di quarzo è costituito quasi interamente da un forte legame Si-O, la sua temperatura di rammollimento è molto elevata e la temperatura di esercizio a lungo termine può raggiungere i 1000 °C. Inoltre, il coefficiente di dilatazione termica del vetro di quarzo è il più basso tra i comuni vetri industriali e il suo coefficiente di dilatazione lineare può raggiungere 5×10-7/°C. Il vetro di quarzo trattato in modo speciale può persino raggiungere un'espansione pari a zero. Il vetro di quarzo ha anche un'ottima resistenza agli shock termici: anche se sottoposto ripetutamente a grandi sbalzi di temperatura in un breve periodo di tempo, non si crepa. Queste eccellenti proprietà termiche rendono il vetro di quarzo insostituibile in ambienti di lavoro ad alte temperature ed estremi.
Il vetro di quarzo ad alta purezza può essere utilizzato nella produzione di chip nell'industria dei semiconduttori, come materiale ausiliario per la produzione di fibre ottiche, come finestre di osservazione per forni industriali ad alta temperatura, come sorgenti luminose elettriche ad alta potenza e come strato di isolamento termico sulla superficie dello space shuttle. Il coefficiente di dilatazione termica estremamente basso consente inoltre di utilizzare il vetro di quarzo in strumenti di precisione e materiali per lenti di grandi telescopi astronomici.
Proprietà chimiche
Il vetro di quarzo ha un'ottima stabilità chimica. A differenza di altri vetri commerciali, il vetro di quarzo è chimicamente stabile all'acqua, pertanto può essere utilizzato nei distillatori d'acqua che richiedono un'elevata purezza dell'acqua. Il vetro di quarzo ha un'eccellente resistenza agli acidi e ai sali, pertanto può essere utilizzato nei distillatori d'acqua che richiedono un'elevata purezza dell'acqua. Il vetro di quarzo ha un'eccellente resistenza agli acidi e ai sali. Ad eccezione dell'acido fluoridrico, dell'acido fosforico e delle soluzioni saline basiche, non reagisce con la maggior parte degli acidi e delle soluzioni saline. Rispetto alle soluzioni acide e saline, il vetro di quarzo ha una scarsa resistenza agli alcali e reagisce con le soluzioni alcaline ad alte temperature. Inoltre, il vetro di quarzo e la maggior parte degli ossidi, dei metalli, dei non metalli e dei gas non reagiscono a temperature normali. L'elevatissima purezza e la buona stabilità chimica rendono il vetro di quarzo adatto all'uso in ambienti con elevate condizioni di produzione nella produzione di semiconduttori.
Altre proprietà
Permeabilità: la struttura del vetro di quarzo è molto rilassata e, anche ad alte temperature, consente agli ioni di alcuni gas di diffondersi attraverso la rete. La diffusione degli ioni sodio è la più rapida. Questa prestazione del vetro di quarzo è particolarmente importante per gli utenti, ad esempio, quando il vetro di quarzo viene utilizzato come contenitore ad alta temperatura o tubo di diffusione nell'industria dei semiconduttori, a causa dell'elevata purezza del materiale semiconduttore, il materiale refrattario a contatto con il vetro di quarzo come rivestimento del forno deve essere pre-trattato ad alta temperatura e pulito, rimuovendo le impurità alcaline di potassio e sodio, e quindi può essere trasformato in vetro di quarzo per l'uso.
Applicazione del vetro al quarzo
Il vetro di quarzo è un materiale importante, ampiamente utilizzato nelle comunicazioni ottiche, nell'industria aerospaziale, nelle sorgenti luminose elettriche, nei semiconduttori e nelle nuove tecnologie ottiche.
1. Campo delle comunicazioni ottiche: il vetro di quarzo è un materiale ausiliario per la produzione di aste prefabbricate in fibra ottica e per la trafilatura della fibra ottica, destinato principalmente al mercato dell'interconnessione delle stazioni base; l'avvento dell'era 5G ha portato un'enorme domanda di mercato per la fibra ottica.
2. Nuovo aspetto della luce: lampada al mercurio ad alta pressione, lampada allo xeno, lampada agli ioduri di tungsteno, lampada agli ioduri di tallio, lampada a infrarossi e lampada germicida.
3. Aspetto semiconduttore: il vetro di quarzo è un materiale indispensabile nel processo di produzione di materiali e dispositivi semiconduttori, come il germanio coltivato, il crogiolo di silicio monocristallino, il tubo del nucleo del forno e la campana di vetro, ecc.
4. Nel campo delle nuove tecnologie: con le sue eccellenti prestazioni di suono, luce ed elettricità, linea di ritardo ultrasonica su radar, radiogoniometro a tracciamento infrarosso, prisma, lente per fotografia infrarossa, comunicazione, spettrografo, spettrofotometro, finestra riflettente di grandi telescopi astronomici, finestra operativa ad alta temperatura, reattori, installazioni radioattive; razzi, cono di prua di missili, ugelli e radome, parti di isolamento radio per satelliti artificiali; termobilancia, dispositivo di adsorbimento sotto vuoto, fusione di precisione... ecc.
Il vetro di quarzo è utilizzato anche nell'industria chimica, metallurgica, elettrica, nella ricerca scientifica e in altri settori. Nell'industria chimica, può essere impiegato per la combustione di gas ad alta temperatura resistente agli acidi, dispositivi di raffreddamento e ventilazione; dispositivi di stoccaggio; preparazione di acqua distillata, acido cloridrico, acido nitrico, acido solforico, ecc. e altri esperimenti fisici e chimici. Nel funzionamento ad alta temperatura, può essere utilizzato come tubo centrale di forni elettrici e radiatore a combustione di gas. In ottica, il vetro di quarzo e la lana di vetro di quarzo possono essere utilizzati come ugelli di razzi, scudi termici per veicoli spaziali e finestre di osservazione. In una parola, con lo sviluppo della scienza e della tecnologia moderne, il vetro di quarzo è stato ampiamente utilizzato in vari campi.
Aree di applicazione del vetro al quarzo
Grazie alle eccellenti proprietà fisiche e chimiche, il vetro di quarzo è ampiamente utilizzato in ambienti ad alta temperatura, puliti, resistenti alla corrosione, alla trasmissione della luce, al filtraggio e in altri specifici processi di produzione di prodotti ad alta tecnologia; è un materiale importante e indispensabile nei settori dei semiconduttori, aerospaziali e delle comunicazioni ottiche.
Campo dei semiconduttori
I prodotti in vetro di quarzo semiconduttore rappresentano il 68% del mercato dei prodotti in vetro di quarzo e il settore dei semiconduttori è il principale campo di applicazione nel mercato downstream del vetro di quarzo. I materiali e i prodotti in vetro di quarzo sono ampiamente utilizzati nel processo di produzione di chip semiconduttori e sono necessari per supportare dispositivi e materiali di consumo per cavità nei processi di incisione, diffusione e ossidazione dei semiconduttori.
Campo delle comunicazioni ottiche
Le barre di quarzo sono la principale materia prima per la produzione di fibre ottiche. Oltre il 95% delle barre di fibra prefabbricate è costituito da vetro di quarzo ad alta purezza, e molti materiali in vetro di quarzo vengono utilizzati nel processo di produzione di barre di fibra e nella trafilatura, come barre di supporto e coppette di quarzo.
Ottica archiviata
Il materiale in vetro di quarzo sintetico viene utilizzato come materiale di substrato per lenti, prismi, display TFT-LCD HD e maschere luminose per circuiti integrati nel campo ottico di fascia alta.
I prodotti in vetro di quarzo sono materiali di consumo e materie prime essenziali in vari settori, il che limita la produzione di prodotti nell'industria a valle. Attualmente non esistono alternative, quindi la domanda di vetro di quarzo è a lungo termine. Nelle industrie a valle, in particolare con lo sviluppo accelerato dei settori dei semiconduttori e del fotovoltaico, la prosperità dell'industria del vetro di quarzo continuerà ad aumentare.
| Quarzo fuso a fiamma | Quarzo fuso elettrico | Quarzo opaco | Quarzo sintetico | ||
| Proprietà meccaniche | Densità (g/cm)3） | 2.2 | 2.2 | 1,95-2,15 | 2.2 |
| Modulo di Young(media dei voti) | 74 | 74 | 74 | 74 | |
| Rapporto di Poisson | 0,17 | 0,17 | 0,17 | ||
| Resistenza alla flessione(MPa） | 65-95 | 65-95 | 42-68 | 65-95 | |
| Resistenza alla compressione(MPa） | 1100 | 1100 | 1100 | ||
| Resistenza alla trazione(MPa） | 50 | 50 | 50 | ||
| Resistenza torsionale(MPa） | 30 | 30 | 30 | ||
| Durezza di Mohs(MPa） | 6-7 | 6-7 | 6-7 | ||
| Diametro della bolla(pomeriggio） | 100 | ||||
| Proprietà elettriche | Costante dielettrica (10 GHz) | 3.74 | 3.74 | 3.74 | 3.74 |
| Fattore di perdita (10 GHz) | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | |
| Resistenza dielettrica(V/m） | 3.7X107 | 3.7X107 | 3.7X107 | 3.7X107 | |
| Resistività (20°C) (Q)・cm) | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | |
| Resistività (1000℃) (Q •cm) | >1X106 | >1X106 | >1X106 | >1X106 | |
| Proprietà termiche | Punto di rammollimento (C) | 1670 | 1710 | 1670 | 1600 |
| Punto di ricottura (C) | 1150 | 1215 | 1150 | 1100 | |
| Punto di St Rain(C） | 1070 | 1150 | 1070 | 1000 | |
| Conduttività termica(Donna/Uomo・K） | 1.38 | 1.38 | 1.24 | 1.38 | |
| Calore specifico (20℃) (J/KG)・K） | 749 | 749 | 749 | 790 | |
| Coefficiente di espansione (X10)-7/K） | UN：25C~200C6.4 | UN：25C~100C5.7 | UN：25C~200C6.4 | UN：25C~200C6.4 | |