Кварцевое стекло. Особенности работы с кварцевым стеклом
Очарование лабораторного кварца July 5th, 2014
Если вы работали в лаборатории, то скорее всего привыкли к тому, что лабораторное стекло сделано из кварца. Однако, вероятно вы даже не догадывались о причине того, почему это стекло настолько прочное, что делает его не менее сложным для производства. Поэтому взгляните на эти чудесные gif от Global Research, которые демонстрируют очарование кварца.
Немного информации:
данное лабораторное стекло может выдерживать безумную температуру и химические реакции именно потому, что состоит из чистого кварца. Это значит, что оно не содержит всех тех примесей, которые есть в обычном стекле, что делает его легким для формирования при более низких температурах. Вместо этого, лабораторные стекляшки являются чем-то вроде кристалла кварца, которому придали определенную форму. А значит, чтобы сформировать его, требуется температура более 1600 градусов Цельсия.
Стекло кварцевое — однокомпонентное силикатное стекло, изготавливаемое путем плавления горного хрусталя, жильного или оптического кварца, кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния
Кварцевая стекломасса демонстрирует крайне узкий интервал размягчения и отличается высокой вязкостью, за счет чего и показатели вязкости готового кварцевого стекла даже при температуре порядка 2000º С более чем в 100 раз превышают показатели вязкости многокомпонентных стекол. Помимо вязкости, стекло кварцевое характеризуется:
Высокой пробивной напряженностью и практически не имеет потерь в широком диапазоне частот;
- малой диэлектрической проводимостью;
- высоким уровнем светопропускания в широкой области спектра, начиная с короткой УФ области до середины ИК (от 160 до 3500 мм).
Кварцевое стекло является одним из лучших изоляционных материалов, благодаря чему изделия из кварцевого стекла находят широкое применение в электротехнической, светотехнической, оптической, медицинской и других отраслях. Особого внимания заслуживают превосходные электроизоляционные свойства кварцевого стекла при повышенной температуре, что обуславливает востребованность в радиоэлектронной промышленности такого типа стекла как электровакуумное стекло.
Стекло кварцевое: виды кварцевого стекла и области его применения
Величину электропроводности и другие свойства кварцевого стекла определяют имеющиеся в нам примеси (Na+, К+, Li+)., за счет чего стекло кварцевое делится на следующие виды:
Непрозрачное кварцевое стекло — изготовление ведется из чистого кварцевого или жильного песков. Изделия из непрозрачного кварцевого стекла используются для комплектации термостойкой лабораторной аппаратуры, муфелей для электрических печей, чехлов для термопар и стеклобруса.
Прозрачное техническое стекло получают путем плавления горного хрусталя или синтетического диоксида кремния. Данный вид стекло обладает высокой прозрачностью и минимальным коэффициентом светопреломления, за счет чего прозрачное техническое кварцевое стекло применяется для комплектации лабораторного оборудования, радиоаппаратуры и получения стекловолокна.
Оптическое кварцевое стекло, изготовление которого осуществляется из специального оптического кварца. Оптический кварц обладает высокой степенью химической чистоты, что в свою очередь обеспечивает оптическому стеклу уникально высокую степень светопропускания;
Особо чистое стекло — кварцевое стекло с минимальным содержанием пузырьков, включений и повышенным светопропусканием, включая ИК область спектра. Столь уникальные свойства обуславливают возможность использования особо чистого кварцевого стекла в оптоволоконной технике, микроэлектронике, системах аэрокосмической навигации и высококачественных оптических приборах.
Керамическое стекло, обладающее высокой термической и радиационной стойкостью, кислотоустойчивостью и радиопрозрачностью, используется для производства широкого ассортимента огнеупорных изделий.
Легированное стекло — кварцевое стекло с легирующими добавками в составе.
Производство оптического кварцевого стекла принципиально отличается от производства других видов оптического стекла. Это единственное промышленное стекло простейшего химического состава, содержащее только один компонент - кремнезем. Высокая его тугоплавкость и высокая вязкость в расплавленном состоянии (при 1723°С вязкость составляет 1 10 6 Па) не позволяют применять к кварцевому стеклу технологию обычных оптических стекол . Кварцевое стекло получается путем расплавления крупки природного или синтетического кварца в электрических печах или в кислородно-водородном пламени. В последнее десятилетие получил широкое промышленное применение способ наплава кварцевого стекла через газовую фазу. Исходным сырьем в данном случае является дешевое химическое соединение - тетрахлорид кремния, который легко испаряется и гидролизуется, образуя аморфный кремнезем и соляную кислоту. Конденсированный кремнезем сплавляется в стекло в кислородно-водородном пламени (в последнее время для этого используются и плазмотроны, обладающие тем преимуществом, что стекло, наплавляемое в плазме, содержит меньше гидроксильных групп и более прозрачно в инфракрасной части спектра). Готовая продукция имеет форму заготовок (блоков) цилиндрической формы.
Получение стекла через газовую фазу является пока единственным способом борьбы с наличием в объеме стекла поглощающих микровключений, снижающих его лучевую прочность.
Различные марки кварцевого стекла отличаются друг от друга не основным химическим составом, а технологией их получения и сырьем, из которого велся наплав, что определяет содержание примесей в стекле. В частности, стекло из тетрахлорида кремния содержит менее 4 10 -5 % примесей, в том числе железа менее 5 10 -6 %, но зато содержание гидроксильных групп в нем доходит до 0,13%, что снижает температуру размягчения стекла до 1060°С по сравнению с 1200°С для стекла КВ. В стекле из тетрахлорида кремния, полученном прямым его окислением в факеле низкотемпературной плазмы, имеется всего 0,001 % примесей гидроксильных групп.
ГОСТ 15130-79 установил пять марок оптического кварцевого стекла:
- КУ1 - стекло, обладающее высокой прозрачностью в ультрафиолетовой области спектра, без полос поглощения в области 170-250 нм, нелюминесцирующее;
- КУ2 - стекло, прозрачное в ультрафиолетовой области спектра, с полосой поглощения в области 170-250 нм;
- КВ - стекло, обладающее высоким пропусканием в области длины волн от 270 до 2700 нм, но не свободное от полос поглощения при 240 и 2720 нм;
- КВР - стекло, отличающееся от стекла марки КВ малым изменением под действием гамма-излучения;
- КИ - стекло, прозрачное в инфракрасной области спектра, без полосы поглощения при 2720 нм.
Особенности технологии оптического кварцевого стекла проявляются в том, что кроме нормирования по оптической однородности , двойному лучепреломлению, бессвильности и пузырности, ГОСТ 15130-79 предусматривает нормирование показателей качества, характерных только для кварцевого стекла - мелкозернистой неоднородности (ряби) и включений. Мелкозернистая неоднородность является следствием неодинаковой степени воздействия высокой температуры, газовой атмосферы и других физико-химических факторов при наплаве на центральную и периферийную части каждой крупинки, из которой состоит исходная шихта. В результате этого показатель преломления периферийной зоны отличается от центральной, что можно наблюдать в виде теневой или дифракционной картины. Стекло из тетрахлорида кремния свободно от ряби, но его оптическая однородность не выше третьей категории. Из этого стекла возможно получение заготовок не только для линзовой, но и для призменной оптики. Включения являются следствием того, что исходная крупка может содержать примеси, отличающиеся по химическому составу от кремнезема, которые в процессе наплава дают прозрачные, полупрозрачные, непрозрачные или стекловидные включения. В крупке, приготовленной из кристаллов кварца, полученных искусственно путем гидротермального синтеза, содержатся примеси щелочных металлов, которые образуют стекловидные включения. Стекловидные включения дают также полевой шпат, мусковит, турмалин, гранат.
По оптическим свойствам кварцевое стекло является обычным кроном с показателем преломления 1,4584 и коэффициентом дисперсии 67,83. Из-за малого коэффициента расширения (5,5 10 -7 °С -1) термооптические свойства кварцевого стекла плохие (V=213 10 -7 °С -1), но зато очень высока термостойкость. Кварцевое стекло обладает высокой механической прочностью в широком интервале температур; оно негигроскопично, устойчиво к воздействию воды и кислот, кроме плавиковой и фосфорной. Только при совместном воздействии высоких давлений и температур кварцевое стекло можно растворить в воде. При облучении плотным потоком быстрых нейтронов кварцевое стекло увеличивает показатель преломления до 1,4763. При нагреве стекла до 800°С его первоначальные свойства восстанавливаются. Кварцевое стекло - один из лучших материалов для изготовления крупногабаритных астрономических зеркал.
Легирование кварцевого стекла двуокисью титана дало возможность получить материал с практически нулевым коэффициентом термического расширения. Максимальный коэффициент расширения равен 0,4 10 -7 °С -1 . На стадии опытного производства такое кварцевое стекло имеет марку КЛР, выпускается в заготовках диаметром до 200 мм по ТУ 17-74.
Стекло стало настолько привычным в нашей жизни, что многие люди даже и не догадываются, сколько разновидностей этого материала существует и как его производят. Еще ацтеки были знакомы с одной из разновидностей этого материала, когда находили обсидиан – вулканическое стекло, которое получалось природным путем при взаимодействии раскаленной лавы с различными горными породами и песком. Прообразом привычного для нас оконного стекла стала слюда – прозрачный материал, по свойствам напоминающий оконное стекло. И лишь в средние века был раскрыт один из секретов изготовления стекла и стали известны основные его составляющие. Существует масса разновидностей этого прозрачного материала, среди которых есть силикатное (наиболее распространенное и широко используемое), органическое и кварцевое стекло. Каждый вид имеет свои отличительные особенности по составу и способу получения и наделен определенными уникальными свойствами.
Основные характеристики кварцевого стекла
Этот материал считается разновидностью силикатного стекла с тем лишь отличием, что основное составляющее вещество не песок, а кремнезем. Диоксид кремния в таком стекле находится в аморфном состоянии и не образует жестких молекулярных связей. Благодаря этому кварцевое стекло без труда переносит резкие колебания температур и обладает большей механической прочностью, чем обыкновенное стекло. В качестве сравнения можно нагреть трубки из обыкновенного и кварцевого стекла на обыкновенной химической горелке, а затем резко опустить оба изделия в холодную воду. Обыкновенное стекло моментально покроется трещинами, а с кварцевым ничего не произойдет.
Основными характеристиками кварцевого стекла являются:
- повышенная механическая прочность;
- вибро- и износостойкость;
- уникальные оптические свойства;
- устойчивость к воздействию кислот, солей и щелочей даже при высоких температурах;
- невосприимчивость к любым видам излучений, включая радиацию.
Разновидности кварцевых стекол
В зависимости от технологии производства различают два основных вида этого стекла:
- оптически прозрачное;
- непрозрачное.
Светопропускная способность напрямую зависит от наличия в стекле микроскопических пузырьков, заполненных газом, которые и поглощают, а затем рассеивают свет. Прозрачное стекло получают способом плавки горного хрусталя. Оно имеет однородную структуру, в которой отсутствуют инородные вкрапления и газовые пузырьки.
Области применения
В зависимости от разновидности стекло из диоксида кремния применяют в различных областях:
- химическая промышленность. Благодаря отсутствию взаимодействия материала с агрессивными химическими веществами из него изготавливают различную лабораторную посуду;
- энергетика. При работе высоковольтных линий широко используются кварцевые изоляторы;
- оптика. Для производства любых оптических высокоточных приборов используются исключительно линзы, изготовленные из кварцевого стекла. В отличие от стандартного силикатного стекла кварцевые линзы обладают практически эталонными характеристиками фокусировки;
- товары народного потребления. В качестве наиболее распространенного применения можно привести хорошие часы, циферблат которых защищен именно кварцевым стеклом, или дорогие мобильные телефоны, дисплеи которых также имеют внешнюю оболочку из этого материала.
Узнать больше о технологии получения кварцевых стекол и областях их применения можно на международной выставке «Мир стекла» , которая будет проходить в ЦВК «Экспоцентр». К услугам посетителей широкие тематические экспозиции, связанные со стеклом: технологии получения, изготовление промышленных и бытовых изделий, методы и способы обработки, современное профессиональное и бытовое оборудование, а также расходные материалы, предметы интерьера и декора из стекла.
Ква́рцевое стекло́, пла́вленый кварц - однокомпонентное стекло из чистого оксида кремния , получаемое плавлением природных разновидностей кремнезёма - горного хрусталя , жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния.
Виды
Различают два вида промышленного кварцевого стекла: прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное. Непрозрачность кварцевому стеклу придает большое количество распределённых в нём мелких газовых пузырьков (диаметром от 0,03 до 0,3 мкм), рассеивающих свет. Оптическое прозрачное кварцевое стекло, получаемое плавлением горного хрусталя, совершенно однородно, не содержит видимых газовых пузырьков.
Непрозрачное кварцевое стекло часто служит сырьём для производства термостойкого огнеупорного материала - кварцевой керамики.
Свойства
- Обладает наименьшим среди стёкол на основе SiO 2 показателем преломления (n D = 1,4584) и наибольшим светопропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей.
- Для кварцевого стекла характерна высокая термическая стойкость, коэффициент линейного термического расширения менее 1·10 −6 К −1 (в диапазоне температур от 20 до 1400 °C).
- Кварцевое стекло - хороший диэлектрик , удельная электрическая проводимость при 20 °C - 10 −14 - 10 −16 Ом −1 ·м −1 , тангенс угла диэлектрических потерь при температуре 20 °C и частоте 10 16 Гц - 0,0025-0,0006.
Применение
Оптические свойства
Дисперсия кварцевого стекла приближённо может быть описана формулой Селлмейера:
и длина волны задается в микрометрах.
Примечания
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Кварцевое стекло" в других словарях:
КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО, силикатное однокомпонентное бесщелочное стекло (см. СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ), получаемое плавлением природных разновидностей кремнезема (см. КРЕМНИЯ ДИОКСИД) горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также… … Энциклопедический словарь
КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО - стекло, получаемое плавлением природных разновидностей горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетического кварца. Кварцевое стекло обладает высокой жаростойкостью (1400° С), термической стойкостью (низким… … Металлургический словарь
Кварцевое стекло - стекло, получаемое плавлением природных разновидностей горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетического кварца. Кварцевое обладает высокой жаростойкостью (1400° С), термической стойкостью (низким коэфициентом… … Энциклопедический словарь по металлургии
кварцевое стекло - Ндп. плавленый кварц Продукт охлаждения расплава кремнезема до твердого состояния без кристаллизации. [ГОСТ 16548 80] Недопустимые, нерекомендуемые плавленый кварц Тематики оптика, оптические приборы и измерения EN silica glass DE Quarzglas FR… … Справочник технического переводчика
кварцевое стекло - kvarcinis stiklas statusas T sritis chemija apibrėžtis Iš gryno kvarcinio smėlio arba susmulkinto kalnų krištolo išlydytas stiklas. atitikmenys: angl. fused glass; fused silica; quartz glass; silica glass; vitreous silica rus. кварцевое стекло … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
кварцевое стекло - kvarco stiklas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. quartz glass vok. Quarzglas, n rus. кварцевое стекло, n pranc. verre de quartz, m … Fizikos terminų žodynas
Стекло, получаемое плавлением природных разновидностей горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетич. диоксида кремния. К. с. обладает высокими жаростойкостью, диэлектрич. св вами, хим. устойчивостью. Из К. с. изготовляют … Большой энциклопедический политехнический словарь
Однокомпонентное силикатное стекло, получаемое плавлением природных разновидностей кремнезёма горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния. Различают два вида промышленного К. с.: прозрачное … Большая советская энциклопедия
Легированное кварцевое стекло - – кварцевое стекло с вводимыми легирующими добавками. [ГОСТ 16548 80] Рубрика термина: Виды стекла Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги, Автотехника … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Cтраница 1
Свойства кварцевого стекла при высоких температурах значительно изменяются. При температуре 1200 С кварцевое стекло начинает размягчаться, становится пластичным и вязкость его понижается.
Изменение свойств кварцевого стекла при температуре около 1000 объясняется его превращением в а-кристобалит. Из этого обычно делается вывод, что кварцевые оболочки нельзя применять при болер высоких температурах, по крайней мере при длительных измерениях. Однако опыт показывает, что при температурах 1300 - 1500 оболочки сохраняют свою прочность после полного превращения в а-кристобалит и могут хорошо служить в этих условиях.
Исследование физико-химических и спектрально-люминесцентных свойств кварцевого стекла / Е. И. Талант, Ю. Н. Кондратьев, Л у н-тер и др. - В кн.: Тезисы докладов на III Всесоюз.
Строение и свойства кварцевого стекла в значительной мере зависят от чистоты исходного сырья, а также от способа и условий производства, что недостаточно учитывается при исследовании его структуры. В наиболее чистом сырьз (природном горном хрустале) имеется 0.03 - 0.0 i % примесей (ионов калия, натрия и кальция), которые существенно влияют на кремнеземистый каркас и при определенных термических условиях могут привести к кристаллизации стекла с образованием кристобалита.
Состояние и свойства кварцевого стекла изменяются при нагреве свыше 1000 С, а при температуре более 1200 С оно начинает размягчаться; при этих температурах некоторые газы легко диффундируют через слой кварцевого стекла. Наиболее легко диффундируют газы с малым атомным весом (водород); они начинают проникать уже при 500 С. Такие газы, как хлористый водород, кислород, углекислый газ и азот, диффундируют при температуре 800 - 1200 С. Поэтому кварцевые трубы не рекомендуется применять для транспортировки нагретых газов.
Способ основан на свойстве кварцевого стекла выдерживать резкие изменения температуры.
Де Кудр28 и Уотсон29 на опыте убедились в том, сколько затруднений причиняют свойства кварцевого стекла и его проницаемость для водорода при высоких температурах и давлениях. Сильная кристаллизация кварцевого стекла обусловлена минерализующим действием горячего водяного пара, чему сильно способствует наличие даже следов железа и ржавчины, действующих как типичные катализаторы. Кроме того, внутри стальной бомбы, использовавшейся де Кудром, в жидкости всегда образуются пузырьки вследствие диффузии водорода через тонкостенный сосуд из кварцевого стекла.
Тонкая нить из кварцевого стекла, будучи закручена, возвращается в исходное положение; поэтому такие нити употребляют в измерительных приборах. Свойство кварцевых стекол пропускать ультрафиолетовые лучи используется в специальных электролампах, применяемых для лечения некоторых заболеваний.
| Зависимость ег титаната бария от температуры при различной напряженности электрического поля [ 32J.| Зависимость ъг титаната бария от напряженности электрического поля при температуре 22 С. |
Стекла - неорганические аморфные вещества, представляющие собой обычно системы различных окислов. В табл. 23.21 указаны свойства кварцевых стекол, а в табл. 23.22 - ряда других электроизоляционных стекол.
Стекло викор (96 % SiO2) получают из боросиликатного стекла, из которого после изготовления соответствующего изделия горячей кислотой выщелачивают борат щелочного металла. Остающийся тонкопористый материал в дальнейшем подвергают спеканию, после чего он частично приобретает свойства кварцевого стекла.
Основным недостатком кварцевого стекла как диэлектрика является трудность его переработки. Плавление кварца ввиду его высокой точки размягчения ведется в специальных электрических печах, причем при плавлении необходимо получить продукт, не содержащий воздушных пузырей, сильно ухудшающих свойства кварцевого стекла, что представляет большие трудности. Кварцевое стекло практически не поддается обработке, кроме шлифования.
Исправление цветности излучения ртутного разряда высокого давления горелки в этих лампах достигается за счет излучения вводимых в горелку элементов. В области разряда сначала происходит диссоциация иодидов на составляющие, затем возбуждение и излучение светящихся элементов - натрия, таллия и др. По мере выхода из области разряда элементы Соединяются с иодом, поэтому их вредное влияние на свойства кварцевого стекла горелки ослабляется.