Quartz – Général

Qu’est-ce que le quartz ?

• C’est un cristal trouvé en abondance dans la croûte terrestre
• Composition chimique = SiO2 _{(dioxyde de silicium)}
• Quand il est fondu, il devient amorphe (non cristallin) et est communément connu sous le nom de verre, ou scientifiquement connu sous le nom de quartz fondu
• Vous pouvez abaisser la température de fusion et qu’il soit bon à travailler à des températures inférieures en ajoutant certains additifs (par exemple, vous pouvez ajouter de la soude et de la chaux aux cristaux de SiO2 _{pour fabriquer du verre sodo-calcique, une des plus courantes formes de verre utilisé dans notre vie quotidienne)}
• Le verre de quartz fondu est la forme de verre de la plus haute pureté (sans additifs pour abaisser la température), l’objectif général est d’avoir seulement le SiO2 _{sans autre « impuretés ».}

Pourquoi la pureté est-elle importante dans le verre de quartz ?

• Résistance élevée à la température (couramment utilisé au-dessus de 1 200°C), choc thermique faible (résiste aux changements importants et rapides de température), faible coefficient de dilatation thermique (n’augmente ou ne diminue beaucoup lors de grandes variations de température)
• Bonne transmission UV et infrarouges, utilisé exclusivement pour les lampes UV (ultraviolets) et les IR (infra-rouges) lorsque le verre de quartz est utilisé comme un environnement protecteur pour les lampes, tout en transmettant la lumière UV ou IR à des niveaux élevés (80 +%)
• Faible réactivité à d’autres éléments (faible risque de contamination du produit), ce qui fait du verre de quartz une bonne solution pour les applications sensibles où la contamination croisée entre le matériau « porteur » (dans ce cas le verre de quartz) et le matériel en cours d’analyse ou les pièces en cours de traitement doit être infime

La différence entre le quartz cristallin et le quartz fondu réside dans leur micro-structure. Là où le quartz cristallin possède une structure très ordonnée avec des anneaux réguliers, le quartz fondu est moins ordonné. Dans le quartz fondu, les anneaux sont de taille variable, ils peuvent avoir des liaisons pendantes et les liaisons entre les ions correspondants peuvent être tendues.

Les propriétés uniques de quartz fondu sont déterminées soit par la composition chimique (la liaison Si-O), soit par sa micro-structure :

• la large gamme de stabilité thermique, la transmission optique élevée et la haute résistance chimique sont le résultat de la forte liaison Si-O;
• la structure amorphe est la cause de la faible dilatation thermique, de l’excellente résistance aux chocs thermiques et de la grande homogénéité du verre de quartz

Quels sont les points principaux concernant la haute résistance à la température du quartz?

• Le quartz s’affaisse sous son propre poids en fonction du temps et de la température
• Point de ramollissement : 1 683°C, température à laquelle le verre se déforme sous son propre poids
• Point de recuit : 1 215°C, température à laquelle la contrainte interne est sensiblement relâchée en 15 minutes
• Point de traction : 1 120°C, température à laquelle la contrainte interne est sensiblement relâchée en 4 heures
• Avec une température généralement inférieure à 1 000°C, le matériau subit très peu de changement
• Les tubes de quartz s’affaissent plus rapidement quand le diamètre du tube augmente
• Une paroi plus épaisse permettra de prolonger la durée de vie d’un tube de quartz (épaisseur de paroi x 2 = sag/3)

Quels sont les points principaux concernant la bonne transmission UV et IR du quartz ?

• La transmission UV et IR du verre de quartz (c’est-à-dire la quantité de lumière passant à travers le matériau plutôt qu’étant absorbé par lui) est directement affectée par les niveaux d’impureté dans le verre de quartz
• Cela signifie également que différents absorbants peuvent être introduits délibérément pour bloquer les longueurs d’onde spécifiques
• Le graphique de transmission ci-dessous montre les niveaux moyens de transmission des principaux types de quartz disponibles sur le marché, où :

GE012 = quartz synthétique, utilisé pour des applications profondes d’UV
GE214 = quartz standard fondu électriquement pour tubes et barres
GE124 = quartz standard fondu électriquement pour bloc massif de matière (pour l’usinage)
GE219 = quartz dopé avec Ti pour bloquer la transmission du niveau d’ozone
GE254 = quartz dopé avec CE pour bloquer la lumière UV

• Notez que les niveaux de transmission peuvent également être affectés par l’état de la surface du verre de quartz.

Quels sont les points principaux concernant la faible réactivité du quartz ?

• Le verre de quartz est généralement réactif uniquement avec d’autres éléments dépassant une température relativement élevée.
• Une exception importante à cette règle est Na (sodium), il est donc important de veiller à ce que le quartz ne soit pas manipulé à mains nues. Des gants de protection doivent donc être portés en raison de la teneur en sel excrété par les glandes sudoripares dans tout notre corps (y compris les mains).
• Un nettoyage soigneux avec de l’alcool (ar exemple de l’ isopropanol) est recommandé avant l’utilisation à des températures élevées

Comment le quartz est-il produit ?

• Étape 1 : trouver une montagne avec des cristaux de quartz très purs naturellement, voir le lien internet suivant: Article de la BBC sur Unimin
• Étape 2 : extraire les cristaux de roche de quartz et les séparer des autres roches/minéraux
• Étape 3 : transformer les cristaux de roche en sable de silice de grande pureté
• Étape 4 : retirer autant que possible les contaminants grâce à différentes méthodes de raffinage et de purification
• Étape 5 : nettoyer et cuire sous vide le sable à haute température pour éliminer l’humidité
• Étape 6 : faire fondre le sable dans un environnement hautement contrôlé à très haute température (diverses méthodes : chauffage électrique, chauffage par induction, flamme fondue, plasma)
• Étape 7 : étirer ou façonner le sable fondu dans sa forme finie (le plus souvent des tubes, des tiges, des creusets ou des blocs solides)
• Étape 8 : distribuer des tubes aux 1 000 clients de par le monde (par exemple les fabricants comme Enterprise Q) qui transformeront les pièces en produits finis.

La complexité de ce processus est : 1) atteindre la pureté du sable SiO2 de départ _{, et 2) la gestion de la zone chaude de la tour à étirer pour contrôler les paramètres critiques et assurer la cohérence et la qualité.}

Le verre de quartz se caractérise par son matériau de départ. Si la matière première naturelle (par exemple, le sable de quartz ou le cristal de quartz) est utilisé, il est appelé quartz fondu. Si des précurseurs chimiques (par exemple, SiCl4_{) sont utilisés, il est appelé silice fondue.}

En plus de la matière première, le verre de quartz se caractérise par le procédé de production. Il existe trois groupes de procédés établis définissant plus finement les propriétés du verre de quartz:

• le quartz électriquement fondu, le plus couramment utilisé; 
• le quartz fondu par flamme dont le coût de fabrication est le meilleur marché, méthode traditionnelle, de meilleures propriétés de solarisation et homogénéité.

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• La silice fondue synthétiquement, dont la haute pureté est exceptionnelle et les propriétés de transmission les meilleures.

Enfin, pour la production de tubes de quartz, deux méthodes principales sont utilisées :

• en une seule étape : tolérances limitées, plus économique, mais a besoin d’un volume élevé pour justifier une session et ne peut qu’exécuter une gamme limitée de diamètres par session
• Multi-étapes : utilise un cylindre préformé de ré-étirage dans les tubes finis, teneur en bulles inférieure, vastes possibilité  de dimensions finies, tailles de lots plus petites

Pour obtenir de plus amples informations sur les propriétés générales du quartz, plus de détails techniques et des outils utiles, veuillez consulter les sites internet suivants :