Szkło kwarcowe
Szkło kwarcowe stopione z różnymi rodzajami czystego naturalnego kwarcu
Cechy konstrukcyjne szkła kwarcowego
Czyste szkło kwarcowe składa się z pojedynczego składnika krzemionki (SiO₂), a wiązania Si-O w szkle kwarcowym są ułożone w stanie uporządkowanym krótkozasięgowym i nieuporządkowanym dalekozasięgowym. Ze względu na silną i stabilną energię wiązania Si-O, szkło kwarcowe ma wysoką temperaturę mięknienia, doskonałą przepuszczalność widmową, bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i przewodności, bardzo wysoką stabilność chemiczną, odporność na promieniowanie i długą żywotność w ekstremalnych warunkach.
Właściwość optyczna
Szkło kwarcowe ma szereg doskonałych właściwości optycznych. W porównaniu ze zwykłym szkłem, szkło kwarcowe o wysokiej czystości ma dobrą transmisję w niezwykle szerokim spektrum od dalekiego ultrafioletu (160 nm) do dalekiej podczerwieni (5 μm), czego nie ma w zwykłym szkle optycznym. Doskonała transmisja widmowa i jednorodność optyczna sprawiają, że szkło kwarcowe jest szeroko stosowane w litografii półprzewodnikowej i precyzyjnych urządzeniach optycznych. Ponadto szkło kwarcowe ma dobrą odporność na promieniowanie, szkło kwarcowe odporne na promieniowanie było szeroko stosowane jako materiał okienny do statków kosmicznych, osłony ochronne kluczowych elementów laboratorium kosmicznego.
Właściwość mechaniczna
Szkło kwarcowe jest podobne do zwykłego szkła, jest kruchym i twardym materiałem. Podobnie jak w przypadku zwykłego szkła, parametry wytrzymałościowe szkła kwarcowego zależą od wielu czynników. W tym stanu powierzchni, geometrii i metody badania. Wytrzymałość na ściskanie przezroczystego szkła kwarcowego wynosi na ogół 490~1960 MPa, wytrzymałość na rozciąganie wynosi 50~70 MPa, wytrzymałość na zginanie wynosi 66~108 MPa, a wytrzymałość na skręcanie wynosi około 30 MPa.
Właściwości elektryczne
Szkło kwarcowe jest doskonałym materiałem izolacyjnym. W porównaniu ze zwykłym szkłem, szkło kwarcowe ma wyższą rezystywność, a rezystywność szkła kwarcowego w temperaturze pokojowej wynosi aż 1,8×1019Ω∙cm. Ponadto szkło kwarcowe ma wyższe napięcie przebicia (około 20 razy większe niż zwykłe szkło) i niższą stratę dielektryczną. Rezystywność szkła kwarcowego nieznacznie spadła wraz ze wzrostem temperatury, a rezystywność nieprzezroczystego szkła kwarcowego była niższa niż rezystywność przezroczystego szkła kwarcowego.
Właściwość termiczna
Ponieważ szkło kwarcowe jest prawie w całości silnym wiązaniem Si-O, jego temperatura zmiękczania jest bardzo wysoka, a długotrwała temperatura robocza może osiągnąć 1000℃. Ponadto współczynnik rozszerzalności cieplnej szkła kwarcowego jest najniższy wśród typowych szkieł przemysłowych, a jego współczynnik rozszerzalności liniowej może osiągnąć 5×10-7/℃. Specjalnie obrobione szkło kwarcowe może nawet osiągnąć zerową ekspansję. Szkło kwarcowe ma również bardzo dobrą odporność na szok termiczny, nawet jeśli wielokrotnie doświadcza dużej różnicy temperatur w krótkim okresie czasu, nie pęknie. Te doskonałe właściwości termiczne sprawiają, że szkło kwarcowe jest niezastąpione w wysokich temperaturach i ekstremalnych środowiskach pracy.
Wysokiej czystości szkło kwarcowe może być stosowane przy produkcji układów scalonych w przemyśle półprzewodnikowym, jako materiał pomocniczy przy produkcji światłowodów, jako okna obserwacyjne w przemysłowych piecach wysokotemperaturowych, źródła światła elektrycznego dużej mocy oraz jako warstwa izolacji termicznej na powierzchni wahadłowców kosmicznych. Niezwykle niski współczynnik rozszerzalności cieplnej pozwala na stosowanie szkła kwarcowego w precyzyjnych instrumentach i materiałach soczewkowych w dużych teleskopach astronomicznych.
Właściwości chemiczne
Szkło kwarcowe ma bardzo dobrą stabilność chemiczną. W przeciwieństwie do innych komercyjnych szkieł, szkło kwarcowe jest chemicznie stabilne w wodzie, dlatego może być stosowane w destylatorach wody, które wymagają bardzo wysokiej czystości wody. Szkło kwarcowe ma doskonałą odporność na kwasy i sole, dlatego może być stosowane w destylatorach wody, które wymagają bardzo wysokiej czystości wody. Szkło kwarcowe ma doskonałą odporność na kwasy i sole, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego, kwasu fosforowego i zasadowych roztworów soli, nie reaguje z większością kwasów i roztworów soli. W porównaniu do roztworów kwasów i soli, szkło kwarcowe ma słabą odporność na zasady i reaguje z roztworami alkalicznymi w wysokich temperaturach. Ponadto szkło kwarcowe i większość tlenków, metali, niemetali i gazów nie reaguje w normalnych temperaturach. Niezwykle wysoka czystość i dobra stabilność chemiczna sprawiają, że szkło kwarcowe nadaje się do stosowania w środowiskach o wysokich warunkach produkcyjnych w produkcji półprzewodników.
Inne nieruchomości
Przepuszczalność: Struktura szkła kwarcowego jest bardzo rozluźniona i nawet w wysokich temperaturach pozwala jonom niektórych gazów na dyfuzję przez sieć. Dyfuzja jonów sodu jest najszybsza. Ta wydajność szkła kwarcowego jest szczególnie ważna dla użytkowników, na przykład gdy szkło kwarcowe jest używane jako pojemnik wysokotemperaturowy lub rura dyfuzyjna w przemyśle półprzewodnikowym, ze względu na wysoką czystość materiału półprzewodnikowego, materiał ogniotrwały w kontakcie ze szkłem kwarcowym jako wykładziną pieca musi zostać wstępnie przetworzony w wysokiej temperaturze i oczyszczony, usuwając alkaliczne zanieczyszczenia potasu i sodu, a następnie może zostać umieszczony w szkle kwarcowym w celu użycia.
Zastosowanie szkła kwarcowego
Jako ważny materiał, szkło kwarcowe jest szeroko stosowane w komunikacji optycznej, lotnictwie i kosmonautyce, źródłach światła elektrycznego, półprzewodnikach i nowych technologiach optycznych.
1. Dziedzina komunikacji optycznej: szkło kwarcowe jest materiałem pomocniczym do produkcji prefabrykowanych prętów światłowodowych i ciągnienia włókien światłowodowych, głównie służących rynkowi połączeń stacji bazowych, a nadejście ery 5G przyniosło ogromny popyt rynkowy na światłowody.
2. Nowe oświetlenie: lampa rtęciowa wysokociśnieniowa, lampa ksenonowa, lampa jodkowo-wolframowa, lampa jodkowo-talowa, lampa podczerwona i lampa bakteriobójcza.
3. Aspekt półprzewodnikowy: Szkło kwarcowe jest niezbędnym materiałem w procesie produkcji materiałów i urządzeń półprzewodnikowych, takich jak german hodowany, tygiel z monokryształu krzemu, rura rdzeniowa pieca i klosz... itp.
4. W dziedzinie nowych technologii: dzięki doskonałym parametrom dźwięku, światła i elektryczności, ultradźwiękowej linii opóźniającej w radarze, podczerwieni do określania kierunku, pryzmacie, soczewce do fotografii w podczerwieni, komunikacji, spektrografie, spektrofotometrze, oknie odbijającym dużego teleskopu astronomicznego, oknie roboczym o wysokiej temperaturze, reaktorach, instalacjach radioaktywnych; rakietach, stożkach czołowych pocisków, dyszach i osłonach radaru, elementach izolacji radiowej do sztucznych satelitów; termowadze, urządzeniu do adsorpcji próżniowej, odlewach precyzyjnych itd.
Szkło kwarcowe jest również stosowane w przemyśle chemicznym, metalurgicznym, elektrycznym, badaniach naukowych i innych aspektach. W przemyśle chemicznym może być stosowane do spalania gazów odpornych na wysokie temperatury, urządzeń chłodzących i wentylacyjnych; urządzeń magazynujących; przygotowywania wody destylowanej, kwasu solnego, kwasu azotowego, kwasu siarkowego itp. oraz innych eksperymentów fizycznych i chemicznych. W przypadku pracy w wysokiej temperaturze może być stosowane jako rura rdzeniowa pieca elektrycznego i chłodnica gazu. W optyce szkło kwarcowe i wełna szklana kwarcowa mogą być stosowane jako dysze rakietowe, osłony termiczne statków kosmicznych i okna obserwacyjne, jednym słowem, wraz z rozwojem nowoczesnej nauki i technologii, szkło kwarcowe jest szerzej stosowane w różnych dziedzinach.
Obszary zastosowań szkła kwarcowego
Dzięki doskonałym właściwościom fizycznym i chemicznym szkło kwarcowe jest szeroko stosowane w środowiskach wymagających wysokiej temperatury, czystości, odporności na korozję, transmisji światła, filtrowania i innych specyficznych procesach produkcji wyrobów high-tech. Jest niezbędnym materiałem w przemyśle półprzewodnikowym, lotniczym i komunikacji optycznej.
Pole półprzewodników
Produkty ze szkła kwarcowego półprzewodnikowego stanowią 68% rynku produktów ze szkła kwarcowego, a obszar półprzewodników jest największym obszarem zastosowań na rynku downstream szkła kwarcowego. Materiały i produkty ze szkła kwarcowego są szeroko stosowane w procesie produkcji układów scalonych półprzewodnikowych i są wymagane do przenoszenia urządzeń i materiałów eksploatacyjnych do wnęk do procesów trawienia, dyfuzji i utleniania półprzewodników.
Pole komunikacji optycznej
Pręty kwarcowe są głównym surowcem do produkcji światłowodów. Ponad 95% prefabrykowanych prętów światłowodowych jest podzielonych na szkło kwarcowe o wysokiej czystości, a wiele materiałów ze szkła kwarcowego jest zużywanych w procesie produkcji prętów światłowodowych i ciągnienia drutu, takich jak pręty mocujące i kubki kwarcowe.
Optyka w polu
Materiał ze szkła kwarcowego syntetycznego jest stosowany jako soczewka, pryzmat, materiał podłoża wyświetlacza TFT-LCD HD i maski świetlnej IC w zaawansowanej dziedzinie optyki.
Produkty ze szkła kwarcowego są kluczowymi materiałami eksploatacyjnymi i surowcami w różnych dziedzinach, co ogranicza produkcję produktów w przemyśle downstream, a obecnie nie ma alternatywnego produktu, więc popyt na szkło kwarcowe jest długoterminowy. W przemyśle downstream, zwłaszcza przyspieszonym rozwoju przemysłu półprzewodników i fotowoltaiki, dobrobyt przemysłu szkła kwarcowego będzie nadal wzrastał.
| Kwarc topiony płomieniowo | Elektryczny kwarc topiony | Kwarc nieprzezroczysty | Kwarc syntetyczny | ||
| Właściwości mechaniczne | Gęstość (g/cm)3） | 2.2 | 2.2 | 1,95-2,15 | 2.2 |
| Moduł Younga（Średnia） | 74 | 74 | 74 | 74 | |
| Współczynnik Poissona | 0,17 | 0,17 | 0,17 | ||
| Siła gięcia(MPa） | 65-95 | 65-95 | 42-68 | 65-95 | |
| Wytrzymałość na ściskanie(MPa） | 1100 | 1100 | 1100 | ||
| Wytrzymałość na rozciąganie(MPa） | 50 | 50 | 50 | ||
| Wytrzymałość na skręcanie(MPa） | 30 | 30 | 30 | ||
| Twardość w skali Mohsa(MPa） | 6-7 | 6-7 | 6-7 | ||
| Średnica pęcherzyka(po południu） | 100 | ||||
| Właściwości elektryczne | Stała dielektryczna (10 GHz) | 3,74 | 3,74 | 3,74 | 3,74 |
| Współczynnik strat (10 GHz) | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | |
| Dielectrie St reng th(V/m） | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | 3,7 x 107 | |
| Rezystywność (20°C) (Q・cm) | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | |
| Rezystywność (1000℃) (Q •cm) | >1X106 | >1X106 | >1X106 | >1X106 | |
| Właściwości termiczne | Temperatura mięknienia (C) | 1670 | 1710 | 1670 | 1600 |
| Punkt wyżarzania (C) | 1150 | 1215 | 1150 | 1100 | |
| Punkt Świętego Raina(C） | 1070 | 1150 | 1070 | 1000 | |
| Przewodność cieplna(K/M・K） | 1.38 | 1.38 | 1.24 | 1.38 | |
| Ciepło właściwe (20℃) (J/KG)・K) | 749 | 749 | 749 | 790 | |
| Współczynnik rozszerzalności (X10)-7(K) | A：25C~200C6.4 | A：25C~100C5.7 | A：25C~200C6.4 | A：25C~200C6.4 | |