Кварцевое стекло
Кварцевое стекло
Особенности конструкции кварцевого стекла
Чистое кварцевое стекло состоит из одного компонента — диоксида кремния (SiO₂), при этом связи Si-O в кварцевом стекле расположены в ближнем упорядоченном и дальнем неупорядоченном состояниях. Благодаря высокой и стабильной энергии связи Si-O, кварцевое стекло обладает высокой температурой размягчения, превосходной спектральной пропускаемостью, очень низким коэффициентом теплового расширения и теплопроводностью, очень высокой химической стабильностью, радиационной стойкостью и длительным сроком службы в экстремальных условиях.
Оптическое свойство
Кварцевое стекло обладает целым рядом превосходных оптических свойств. По сравнению с обычным стеклом, высокочистое кварцевое стекло имеет хорошую светопропускаемость в чрезвычайно широком спектре от дальнего ультрафиолета (160 нм) до дальнего инфракрасного излучения (5 мкм), что недоступно для обычного оптического стекла. Превосходная спектральная светопропускаемость и оптическая однородность делают кварцевое стекло широко используемым в полупроводниковой литографии и прецизионных оптических устройствах. Кроме того, кварцевое стекло обладает хорошей радиационной стойкостью, и радиационно-стойкое кварцевое стекло широко используется в качестве материала для окон космических аппаратов, защитных покрытий для ключевых компонентов космических лабораторий.
Механические свойства
Кварцевое стекло, как и обычное стекло, является хрупким и твердым материалом. Как и в случае с обычным стеклом, на прочностные характеристики кварцевого стекла влияют многие факторы, включая состояние поверхности, геометрию и метод испытаний. Прочность на сжатие прозрачного кварцевого стекла обычно составляет 490–1960 МПа, прочность на растяжение – 50–70 МПа, прочность на изгиб – 66–108 МПа, а прочность на кручение – около 30 МПа.
Электрические свойства
Кварцевое стекло — превосходный электроизоляционный материал. По сравнению с обычным стеклом, кварцевое стекло обладает более высоким удельным сопротивлением, которое при комнатной температуре достигает 1,8 × 10¹⁹ Ом∙см. Кроме того, кварцевое стекло имеет более высокое напряжение пробоя (примерно в 20 раз выше, чем у обычного стекла) и меньшие диэлектрические потери. Удельное сопротивление кварцевого стекла незначительно снижается с повышением температуры, а удельное сопротивление непрозрачного кварцевого стекла ниже, чем у прозрачного кварцевого стекла.
Тепловые свойства
Поскольку кварцевое стекло почти полностью состоит из прочных связей Si-O, его температура размягчения очень высока, и длительная рабочая температура может достигать 1000℃. Кроме того, коэффициент теплового расширения кварцевого стекла является самым низким среди обычных промышленных стекол, и его коэффициент линейного расширения может достигать 5×10⁻⁷/℃. Специально обработанное кварцевое стекло может даже достичь нулевого расширения. Кварцевое стекло также обладает очень хорошей термостойкостью: даже при многократном воздействии больших перепадов температуры в течение короткого периода времени оно не трескается. Эти превосходные тепловые свойства делают кварцевое стекло незаменимым в условиях высоких температур и экстремальных рабочих сред.
Высокочистое кварцевое стекло может использоваться в производстве микросхем в полупроводниковой промышленности, в качестве вспомогательных материалов для производства оптического волокна, в смотровых окнах для промышленных высокотемпературных печей, мощных электрических источников света, а также в качестве теплоизоляционного слоя на поверхности космического челнока. Чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения также позволяет использовать кварцевое стекло в прецизионных приборах и линзовых материалах для больших астрономических телескопов.
Химические свойства
Кварцевое стекло обладает очень хорошей химической стабильностью. В отличие от других видов коммерческого стекла, кварцевое стекло химически устойчиво к воде, поэтому его можно использовать в дистилляторах воды, требующих очень высокой чистоты воды. Кварцевое стекло обладает превосходной кислото- и солестойкостью, поэтому его можно использовать в дистилляторах воды, требующих очень высокой чистоты воды. Кварцевое стекло обладает превосходной кислото- и солестойкостью, за исключением плавиковой кислоты, фосфорной кислоты и основных солевых растворов, оно не вступает в реакцию с большинством кислот и солевых растворов. По сравнению с кислотами и солевыми растворами, кварцевое стекло обладает низкой щелочестойкостью и реагирует со щелочными растворами при высоких температурах. Кроме того, кварцевое стекло не вступает в реакцию с большинством оксидов, металлов, неметаллов и газов при нормальных температурах. Чрезвычайно высокая чистота и хорошая химическая стабильность делают кварцевое стекло пригодным для использования в условиях высокой производительности при производстве полупроводников.
Другие объекты недвижимости
Проницаемость: Структура кварцевого стекла очень рыхлая, и даже при высоких температурах она позволяет ионам некоторых газов диффундировать через свою сетку. Диффузия ионов натрия происходит быстрее всего. Это свойство кварцевого стекла особенно важно для пользователей, например, когда кварцевое стекло используется в качестве высокотемпературного контейнера или диффузионной трубки в полупроводниковой промышленности. Из-за высокой чистоты полупроводникового материала огнеупорный материал, контактирующий с кварцевым стеклом в качестве футеровки печи, должен быть предварительно обработан высокотемпературным способом и очищен от щелочных примесей калия и натрия, после чего его можно использовать в качестве кварцевого стекла.
Применение кварцевого стекла
Кварцевое стекло, как важный материал, широко используется в оптической связи, аэрокосмической отрасли, источниках электрического света, полупроводниковой промышленности и новых оптических технологиях.
1. Область оптической связи: кварцевое стекло является вспомогательным материалом для производства предварительно изготовленных оптических волоконных стержней и для вытягивания оптического волокна, в основном для рынка межсоединений базовых станций, а наступление эры 5G привело к огромному рыночному спросу на оптическое волокно.
2. Новые источники света: ртутная лампа высокого давления, ксеноновая лампа, лампа на основе йодида вольфрама, лампа на основе йодида таллия, инфракрасная лампа и бактерицидная лампа.
3. Полупроводниковый аспект: Кварцевое стекло является незаменимым материалом в процессе производства полупроводниковых материалов и устройств, таких как выращиваемый германий, тигель из монокристаллического кремния, трубка сердечника печи и колпак и т. д.
4. В области новых технологий: благодаря превосходным характеристикам звука, света и электричества, ультразвуковая линия задержки на радаре, инфракрасное пеленгование, призмы, линзы инфракрасной фотографии, средства связи, спектрографы, спектрофотометры, отражающие окна больших астрономических телескопов, окна для работы при высоких температурах, реакторы, радиоактивные установки; ракеты, носовые обтекатели ракет, сопла и обтекатели радаров, радиоизоляционные детали для искусственных спутников; термовесы, вакуумные адсорбционные устройства, прецизионное литье и т. д.
Кварцевое стекло также используется в химической промышленности, металлургии, электротехнике, научных исследованиях и других областях. В химической промышленности его можно использовать для высокотемпературного сжигания кислотостойких газов, в устройствах охлаждения и вентиляции; в устройствах хранения; для приготовления дистиллированной воды, соляной кислоты, азотной кислоты, серной кислоты и т. д., а также для других физико-химических экспериментов. При работе при высоких температурах его можно использовать в качестве сердечника электропечи и радиатора для сжигания газов. В оптике кварцевое стекло и кварцевая вата могут использоваться в качестве сопел ракет, теплозащитных экранов космических аппаратов и смотровых окон. В целом, с развитием современной науки и техники кварцевое стекло получило все более широкое применение в различных областях.
Области применения кварцевого стекла
Благодаря превосходным физико-химическим свойствам кварцевое стекло широко используется в высокотехнологичных производственных процессах при высоких температурах, для обеспечения чистоты, коррозионной стойкости, светопропускания, фильтрации и в других областях, являясь незаменимым важным материалом в полупроводниковой, аэрокосмической и оптической коммуникационной отраслях.
Полупроводниковая отрасль
На долю полупроводниковых изделий из кварцевого стекла приходится 68% рынка изделий из кварцевого стекла, и полупроводниковая отрасль является крупнейшей областью применения на рынке кварцевого стекла. Материалы и изделия из кварцевого стекла широко используются в процессе производства полупроводниковых чипов и необходимы для размещения устройств и расходных материалов для полостей в процессах травления, диффузии и окисления полупроводников.
Оптическая связь
Кварцевые стержни являются основным сырьем для производства оптического волокна. Более 95% изготавливаемых волоконных стержней представляют собой высокочистое кварцевое стекло, и значительная часть кварцевого стекла расходуется в процессе производства волоконных стержней и волочения проволоки, например, для изготовления держателей и кварцевых чашек.
Оптические заявки
Синтетическое кварцевое стекло используется в высококачественной оптической промышленности в качестве материала для линз, призм, TFT-LCD HD-дисплеев и подложек для световых масок интегральных схем.
Изделия из кварцевого стекла являются ключевыми расходными материалами и сырьем в различных областях, ограничивая производство продукции в смежных отраслях, и в настоящее время альтернативных продуктов нет, поэтому спрос на кварцевое стекло будет сохраняться в долгосрочной перспективе. В смежных отраслях, особенно в условиях ускоренного развития полупроводниковой и фотоэлектрической промышленности, процветание отрасли производства кварцевого стекла будет продолжать расти.
| Кварц, сплавленный пламенем | Электроплавкий кварц | Непрозрачный кварц | Синтетический кварц | ||
| Механические свойства | Плотность (г/см³)3） | 2.2 | 2.2 | 1,95-2,15 | 2.2 |
| Модуль Юнга(Gpa) | 74 | 74 | 74 | 74 | |
| Коэффициент Пуассона | 0,17 | 0,17 | 0,17 | ||
| Прочность на изгиб(МПа） | 65-95 | 65-95 | 42-68 | 65-95 | |
| Прочность на сжатие(МПа） | 1100 | 1100 | 1100 | ||
| Предел прочности(МПа） | 50 | 50 | 50 | ||
| Прочность на кручение(МПа） | 30 | 30 | 30 | ||
| Твердость по шкале Мооса(МПа） | 6-7 | 6-7 | 6-7 | ||
| Диаметр пузырька(вечер） | 100 | ||||
| Электрические свойства | Диэлектрическая постоянная (10 ГГц) | 3.74 | 3.74 | 3.74 | 3.74 |
| Коэффициент потерь (10 ГГц) | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | 0,0002 | |
| Dielec trie St reng th(В/м） | 3,7х107 | 3,7х107 | 3,7х107 | 3,7х107 | |
| Сопротивление (20 °C) (Q)・см) | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | >1X1016 | |
| Удельное сопротивление (1000 ℃) (Q • см) | >1X106 | >1X106 | >1X106 | >1X106 | |
| Тепловые свойства | Температура размягчения (°C) | 1670 | 1710 | 1670 | 1600 |
| Температура отжига (°C) | 1150 | 1215 | 1150 | 1100 | |
| Сент-Трейн-Пойнт(С） | 1070 | 1150 | 1070 | 1000 | |
| Теплопроводность(В/М・К） | 1.38 | 1.38 | 1.24 | 1.38 | |
| Удельная теплоемкость (20℃) (Дж/кг)・К) | 749 | 749 | 749 | 790 | |
| Коэффициент расширения (X10)-7/K) | а：25С~200С6.4 | а：25С~100С5.7 | а：25С~200С6.4 | а：25С~200С6.4 | |