Кварц — Общая часть

Что такое кварц?

• Это кристалл, встречающийся в земной коре в большом количестве
• Химический состав = SiO₂ (диоксид кремния)
• В расплавленном состоянии он становится аморфным (некристаллическим), общеизвестен как стекло, научное название — плавленый кварц
• Можно снизить его температуру плавления и использовать его при низких температурах, добавив определенные добавки (например, можно добавить соду и известь к кристаллам SiO₂ и получить натриево-кальциевое стекло, которое является одним из наиболее распространенных форм стекла, используемых в повседневной жизни)
• Плавленное кварцевое стекло является самой чистой формой стекла (без добавок для низких температур), основной целью которого является получение SiO₂ без каких-либо других «примесей»

Почему в кварцевом стекле так важна чистота ?

• Устойчивость к воздействию высоких температур (обычно используется при температурах выше 1200°С), низкая степень растрескивания при резких перепадах температуры (выдерживает большие и внезапные скачки температуры), низкий коэффициент теплового расширения (сильно не расширяется и не сжимается при сильных перепадах температуры)
• Высокая проводимость ультрафиолета и инфракрасного излучения, используется исключительно для УФ (ультрафиолетовых) и ИК (инфракрасных) ламп, где в качестве защитной среды для лампы нужно использовать кварцевое стекло, с одновременным сохранением проводимости ультрафиолетового и инфракрасного света на высоком уровне (более 80%)
• Низкий уровень взаимодействия с другими элементами (низкий риск загрязнения продукта), что делает кварцевое стекло отличным выбором для чувствительных целей применения, где перекрестное загрязнение между «носителем» материала (в данном случае кварцевым стеклом) и рассматриваемым материалом или его компонентами должно быть незначительным

Разница между кристаллическим кварцем и плавленым кварцем заключается в их микроструктуре. Если кристаллический кварц имеет очень упорядоченную структуру с регулярными ядрами, то плавленый кварц менее упорядочен по структуре. Ядра плавленого кварца имеют разный размер, могут иметь свободные связи, а связи между соответствующими ионами могут быть напряжены.

Уникальные свойства плавленого кварца определяются его химическим составом (связь Si-O) или его микроструктурой:

• широкий диапазон термической стабильности, высокая прозрачность и высокая химическая стойкость являются результатом сильной связи Si-O;
• некристаллическая структура является причиной низкого теплового расширения, высокой устойчивости к тепловому удару и высокой однородности кварцевого стекла

Каковы основные моменты, касающиеся высокой термостойкости кварца?

• Кварц проседает под собственным весом в результате воздействия времени и температуры
• Температура размягчения 1683°С, при которой стекло будет деформироваться под действием собственного веса
• Температура отжига 1215°С, при которой внутреннее напряжение значительно снимается в течение 15 минут
• Температура деформации 1120°С, при которой внутреннее напряжение значительно снимается в течение 4 часов
• В целом при температурах ниже 1000°С материал изменяется не существенно
• По мере увеличения диаметра трубок из кварца возрастает скорость их проседания
• Срок службы кварцевых трубок могут продлить более толстые стенки (толщина стенок х 2 = проседание/3)

Каковы основные моменты, касающиеся хорошей проводимости УФ- и ИК-излучения кварцем?

• На характеристики ультрафиолетовой и инфракрасной проводимости кварцевого стекла (т.е. количество света, проходящего через материал, но не поглощаемого им) напрямую влияет его уровень легирования.
• Это также означает, что можно намеренно вводить различные поглотители для блокирования волн определенной волны
• На графике ниже показаны средние уровни пропускания, типичные для основных типов кварца, представленного на рынке, где:

GE012 = синтетический кварц, используемый в случае дальнего ультрафиолетового излучения
GE214 = стандартный плавленый кварц для труб и стержней, получаемый под воздействием электрического тока
GE124 = стандартный плавленый кварц для полнотелых блочных материалов (для механической обработки), получаемый под воздействием электрического тока
GE219 = Ti-легированный кварц для блокировки уровня пропускания озона
GE254 = Ce-легированный кварц для блокировки ультрафиолетового света

• Обратите внимание, что на уровень пропускания может влиять поверхностная обработка кварцевого стекла.

Каковы основные моменты, касающиеся низкой реакционной способности кварца?

• В основном кварцевое стекло вступает в реакции взаимодействия с другими элементами только при относительно высоких температурах
• Единственным исключением является Na (натрий),  поэтому не рекомендуется работать с кварцем голыми руками, нужно надевать защитные перчатки, так как потовые железы организма человека (в том числе и на руках) выделяют солевое содержимое
• Перед работой в условиях повышенной температуры рекомендуется проводить тщательную очистку спиртом (например, изопропиловым спиртом)

Как производится кварц?

• Шаг 1: Находим гору с кристаллами чистого природного кварца — смотри ссылку: Статья BBC о Unimin
• Шаг 2: Добываем горный хрусталь и отделяем его от других пород и минералов
• Шаг 3: Перерабатываем горный хрусталь в кремниевый песок высокой чистоты 
• Шаг 4: максимально удаляем загрязнители при помощи различных методов рафинирования и очистки
• Шаг 5: чистим и запекаем песок в вакууме при высокой температуре для удаления влаги
• Шаг 6: Плавим песок при очень высокой температуре в строго контролируемых условиях (различными методами: электрический нагрев, индукционный нагрев, кристаллизация в пламени, плазма)
• Шаг 7: Вытяните или сформируйте плавленный песок в нужную форму (в основном это трубки, стержни, тигли или полнотелые блоки)
• Шаг 8: Продайте трубы примерно 1000 клиентов по всему миру (таким производителям, как Enterprise Q), которые преобразуют их в готовую продукцию

Сложность процесса заключается в следующем: 1) достижение нужной чистоты исходного песка SiO₂  и в 2) управление горячей зоной вытяжной башни для контроля критических параметров и обеспечение однородности и качества.

Кварцевое стекло различается по исходному материалу. Если используется природное сырье (например, кварцевый песок или горный хрусталь), то это плавленный кварц. Если используются химические исходные материалы (например, SiCl₄) то это плавленое стекло.

Помимо сырья, кварцевое стекло также отличается по методу производства. Существует три технологических пути, которые определяют дальнейшие свойства кварцевого стекла:

• Плавление кварца под воздействием электрического тока, наиболее распространенный способ с наименьшими эксплуатационными затратами
• Плавление кварца в пламени, традиционный метод, обеспечивающий более высокие характеристики поляризации и однородности
• Синтетический плавленный кварц, имеющий исключительно высокую степень чистоты и наилучшие характеристики пропускания

И, наконец, для производства кварцевых трубок, используются два основных метода:

• Одноэтапный метод, имеющий жесткие допуски, наиболее экономичный, но для оправдания затрат на прогон нужно обработать большой объем, и в рамках одного прогона можно произвести только ограниченный диапазон диаметров трубок
• Для многоэтапного метода используются предварительно формованные цилиндры для производства готовых трубок, такой метод обеспечивает меньшее образование пузырьков, широкий спектр размеров готового изделия и меньшие по размеру партии производства

Для получения дополнительных данных об общих свойствах кварца, технической информации и некоторых полезных инструментах, пожалуйста, пройдите по ссылкам на следующие сайты: