Оптическое кварцевое стекло (кварц). Виды и свойства стекла

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.  

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.  

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.

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°С).
• Кварцевое стекло - хороший диэлектрик , удельная электрическая проводимость при 20 °С - 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

Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляторов (особенно для высоких температур), изделий, стойких к температурным колебаниям. В производстве термостойких огнеупорных материалов.

Оптические свойства

Дисперсия кварцевого стекла приближённо может быть описана формулой Селлмейера:

и длина волны λ задается в микрометрах.

Примечания

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Плавленый кварц" в других словарях:

плавленый кварц - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN fused quartz …

ПЛАВЛЕНЫЙ КВАРЦ - смотри Кварцевое стекло … Металлургический словарь

А; м. [нем. Quarz] 1. Бесцветный минерал, встречающийся в виде кристаллов и сплошных зернистых масс; двуокись кремния. Графитовый к. Слюдяной к. Дымчатый к. 2. Разг. Облучение кварцевой лампой. Лечить кварцем. ◁ Кварцевый, ая, ое. К ые породы. К… … Энциклопедический словарь

Широко распространённый минерал из группы оксидов (SiO₂). Входит в состав многих горных пород: гранит, гнейс, кварцит, кристаллический сланец и др. Свободно растущие кристаллы имеют форму призм и ромбоэдров, образуют красивые сростки в виде друз … Географическая энциклопедия

- (нем. Quarz) минерал; под названием К. известны две кристаллической модификации двуокиси кремния SiO2: гексагональный К. (или α К.), устойчивый при давлении в 1 атм (или 100 кн/м2) в интервале температур 870 573 °С, и тригональный (β К.) … Большая советская энциклопедия

А; м. [от лат. minera руда] Природное вещество, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, входящее в состав горных пород, руд, метеоритов. Полезные минералы. Коллекция минералов. Образование минералов. Обработка… … Энциклопедический словарь

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

Содержат активный компонент, нанесенный на дисперсное или пористое в во носитель. Использование Н. к. позволяет увеличить пов сть работающего катализатора, экономит дорогостоящие в ва (напр., Pt, Pd, Ag), предотвращает рекристаллизацию и спекание … Химическая энциклопедия

Явление необратимого перехода энергии звуковой волны в др. виды энергии и, в частности, в теплоту. Характеризуется коэфф. поглощения а, к рый определяется как обратная величина расстояния, на к ром амплитуда звуковой волны уменьшается в е=2,718… … Физическая энциклопедия

Цельноволоконный фемтосекундный эрбиевый лазер. Волоконный лазер лазер, активная среда и, возможно, резонатор которого являются элементами оптического … Википедия

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.

В нашем мире подавляющее большинство предметов изготавливается из 5-6 основных материалов, которые представляют собой конечный продукт или сырье для дальнейшего производства. К таким веществам, без преувеличения, можно отнести стекло. Оно входит в состав очень многих приборов и предметов, так что его роль трудно переоценить.

Распространенное применение сделало предпосылки для создания разнообразных марок, которые могли бы использоваться в любых сферах. Кварцевое стекло представляет собой материал, получаемый чистым переплавлением горного хрусталя или кремнезема. Таким способом получается изготовить отличное огнеупорное стекло, стойкое не только к температурной среде, но и к воздействию химических реактивов.

Кварцевое стекло по ГОСТу 15130-86 должно обладать определенными характеристиками, которые позволили бы ему выполнять возложенные функции. Все параметры были получены путем тщательных вычислений и лабораторных анализов. В основе каждого государственного стандарта лежит забота о безопасности, так что не стоит пренебрегать этими рекомендациями.

В документе установлены довольно жесткие пределы, в которых может изменяться то или иное значение. При несоответствии хотя бы одного критерия, стекло не может быть допущено к использованию. Поэтому все производители проходят через процедуру контроля качества, в результате которой им выдают сертификат и лицензию, дающую право на ведение коммерческой деятельности в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.

Изготовление кварцевого стекла с технологической точки зрения является довольно простым процессом. Намного сложнее будет найти для него высококачественное сырье, так как итоговый результат будет напрямую зависеть от используемых компонентов.

Здесь это проявляется особенно четко, так как в качестве основного ингредиента применяется лишь одно сырье, а значит, его качество практически полностью перейдет на конечный продукт. Улучшить какие-либо параметры при помощи добавления примесей не получится, так как тогда это уже будет совсем другая марка стекла. Поэтому самые лучшие виды кварцевого стекла можно получить только из наиболее чистого горного хрусталя без примесей.

Производство материала

Процесс производства кварцевого стекла состоит из нескольких технологических этапов:

• 1. Вначале подготавливается сырье. Для этого горный хрусталь, кремнезем, кварцевый песок для стекла, а иногда и битые изделия, тщательно измельчают до порошкового состояния. Делается это при помощи пресса, который под давлением крошит все перечисленные компоненты, которые складываются в общую емкость.
• 2. Далее происходит плавление порошка в специальных печах, с присутствием во внутренней камере графитового тигля. Используются исключительно электрические печи и безвоздушное пространство, чтобы ничего лишнего не опало в состав.
• 3. Далее расплавленная масса проходит процедуры стабилизации и охлаждения под соответствующим давлением. Это позволяет ему набрать необходимые свойства.
• 4. После этого следует процесс контроля качества и отправка изделия на склад. В дополнительной закалке или обработке стекло уже не нуждается.

Несмотря на простоту процесса, требуется тщательное соблюдение всех условий. Нарушение может привести к сбою всего механизма, и тогда придется отправлять полученный продукт на утилизацию. Разнообразные изделия из кварцевого стекла используются в основном в химических лабораториях.

Этому способствует высокая стойкость к агрессивным средам, что дает возможность проводить различные опыты и хранить опасные вещества с минимальным риском их утечки. Также небольшие вставки из стекол данного типа применяют при производстве линзы Френеля. В качестве сырья может входить в состав огнеупорных строительных материалов.

Свойства и применение

Возможность использования материала для той или иной цели определяется его техническими характеристиками. Именно благодаря знанию этих значений можно делать осознанный выбор. В принципе, данный тип материала имеет очень узкую направленность, поэтому многие потребители вообще не знают, что он из себя представляет. В этом нужно разбираться лишь химикам и рабочим, занятым в непосредственном изготовлении продукции.

Свойства кварцевого стекла несколько отличаются от стандартных:

• - обладает минимальным преломлением среди всех стекол на основе оксида кремния, соответственно имеет самое лучшее светопропускание;
• - обладает отличной термической стойкостью, недоступной другим стеклам;
• - проявляет диэлектрические свойства, так что может служить изолятором.

Виды стекла

Существует две разновидности, непрозрачное и прозрачное кварцевое стекло. Этот параметр определяется количеством газовых пузырьков в структуре материала. Чем их будет больше, тем меньше прозрачность. В ходе плавления контролировать процесс их образования невозможно, поэтому конечный результат зависит только от выбора сырья.

Например, оптическое кварцевое стекло получают плавлением исключительно чистого горного хрусталя без добавления другого сырья. На выходе получается однородное стекло вообще без видимых признаков наличия пузырьков газа в своей структуре.

Цена кварцевого стекла зависит от типа изделия. В листовом видео оно не продается по причине отсутствия такой необходимости. Что касается продукции из стекла, то стоит она в районе тысячи рублей.