خواص و کاربردهای شیشه کوارتز

شیشه کوارتز خالص از یک مؤلفه اصلی، دی‌اکسید سیلیکون (SiO2) تشکیل شده است. برخلاف آرایش منظم و دوره‌ای Si-O در بلورهای کوارتز، پیوندهای Si-O در شیشه کوارتز در وضعیتی با نظم کوتاه‌برد و بی‌نظمی بلندبرد قرار دارند، به طوری که خواص فیزیکی آن نشان‌دهنده ایزوتروپی است. به دلیل انرژی پیوند قوی و پایدار Si-O، شیشه کوارتز دارای دمای ذوب بالا و مجموعه‌ای از خواص عالی است.

ویژگی‌های اپتیکی شیشه کوارتز

شیشه کوارتز مجموعه‌ای از ویژگی‌های اپتیکی برجسته را از خود نشان می‌دهد. در مقایسه با شیشه‌های معمولی، شیشه کوارتز با خلوص بالا، انتقال نور برتری در یک طیف گسترده از فرابنفش دور (160 نانومتر) تا فروسرخ دور (5 میکرومتر) از خود نشان می‌دهد. این قابلیت منحصر به فرد معمولاً در شیشه‌های اپتیکی عمومی مشاهده نمی‌شود. انتقال طیفی عالی و یکنواختی اپتیکی، شیشه کوارتز را برای استفاده گسترده در لیتوگرافی نیمه‌هادی و دستگاه‌های اپتیکی دقیق مناسب می‌سازد.

علاوه بر این، شیشه کوارتز دارای مقاومت خوبی در برابر تابش است، و شیشه کوارتز مقاوم در برابر تابش به طور گسترده‌ای به عنوان مواد پنجره برای فضاپیماهای سری “شنژو” و پوشش‌های حفاظتی برای اجزای کلیدی آزمایشگاه‌های فضایی در سری “تیانگونگ” استفاده شده است.

ویژگی مکانیکی شیشه کوارتز

شیشه کوارتز یک ماده سخت و شکننده است که مشابه شیشه معمولی می‌باشد. چگالی شیشه کوارتز شفاف حدود 2200 تا 2210 کیلوگرم بر متر مکعب است و تحت تاثیر دما بسیار کم تغییر می‌کند. مدول یانگ شیشه کوارتز شفاف در دمای اتاق بین 7000 تا 7400 مگاپاسکال است و نسبت پواسون آن بین 0.15 تا 0.17 می‌باشد.

همانطور که در شیشه‌های معمولی، پارامترهای استحکام شیشه کوارتز تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند وضعیت سطح، اشکال هندسی و روش‌های آزمایش قرار می‌گیرد.

استحکام فشاری شیشه کوارتز شفاف معمولاً بین 490 تا 1960 مگاپاسکال، استحکام کششی آن بین 50 تا 70 مگاپاسکال، استحکام خمشی آن بین 66 تا 108 مگاپاسکال و استحکام پیچشی آن حدود 30 مگاپاسکال است.

برای شیشه کوارتز کدر، همه پارامترهای استحکام آن از شیشه کوارتز شفاف پایین‌تر است. سختی موهس شیشه کوارتز شفاف بین 5.5 تا 6.5 است و سختی ویکرز آن حدود 6963 مگاپاسکال است که بالاتر از شیشه صنعتی معمولی می‌باشد.

ویژگی الکتریکی شیشه کوارتز

شیشه کوارتز یک ماده عایق الکتریکی عالی است. در مقایسه با شیشه‌های معمولی، شیشه کوارتز دارای مقاومت الکتریکی بالایی به میزان 1.8 × 10¹⁹ Ω∙cm در دمای اتاق است. علاوه بر این، شیشه کوارتز دارای ولتاژ شکست بالایی (حدود ۲۰ برابر بیشتر از شیشه معمولی) و اتلاف دی‌الکتریک کمی است. مقاومت الکتریکی شیشه کوارتز با افزایش دما کمی کاهش می‌یابد، و شیشه کوارتز کدر مقاومت الکتریکی کمتری نسبت به شیشه کوارتز شفاف دارد.

ویژگی حرارتی شیشه کوارتز

به دلیل تأثیر قوی پیوند Si-O در داخل شیشه کوارتز، این شیشه دارای دمای نرم شدن بسیار بالایی است و دمای عملیاتی بلندمدت آن تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌تواند باشد.

علاوه بر این، ضریب انبساط حرارتی شیشه کوارتز در میان شیشه‌های صنعتی معمولی پایین‌ترین مقدار را دارد، با ضریب انبساط خطی تا ۵×۱۰⁻⁷/°C. شیشه کوارتز که به طور ویژه درمان شده باشد، حتی می‌تواند به انبساط صفر برسد. شیشه کوارتز همچنین مقاومت بسیار خوبی در برابر ارتعاشات حرارتی دارد، به این معنی که حتی اگر به طور مکرر تغییرات دمایی شدیدی را در یک دوره کوتاه زمانی تجربه کند، ترک نمی‌خورد.

این ویژگی‌های حرارتی عالی باعث می‌شود که شیشه کوارتز در محیط‌های با دمای بالا و شرایط کاری شدید غیرقابل جایگزین باشد. شیشه کوارتز با خلوص بالا می‌تواند در ساخت چیپ در صنعت نیمه‌رسانا، مواد کمکی برای ساخت فیبر نوری، پنجره‌های دید در کوره‌های صنعتی با دمای بالا، منابع نوری الکتریکی پرقدرت و به عنوان لایه عایق حرارتی در سطح شاتل فضایی استفاده شود.

ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین همچنین این امکان را فراهم می‌آورد که شیشه کوارتز در دستگاه‌های دقیق و مواد لنز برای تلسکوپ‌های نجومی بزرگ به کار رود.

ویژگی شیمیایی شیشه کوارتز

شیشه کوارتز دارای پایداری شیمیایی بسیار خوبی است. برخلاف سایر شیشه‌های تجاری، شیشه کوارتز مقاومت شیمیایی بسیار بالایی در برابر آب دارد، بنابراین می‌توان از آن در تقطیر آب استفاده کرد که در آن نیاز به خلوص بالای آب وجود دارد.

شیشه کوارتز مقاومت عالی در برابر اسیدها و محلول‌های نمکی دارد و علاوه بر اسید هیدروفلوریک، اسید فسفریک و محلول‌های نمک قلیایی، با بیشتر محلول‌های اسید و نمک واکنش نشان نمی‌دهد. در مقایسه با محلول‌های اسید و نمک، شیشه کوارتز مقاومت ضعیفی در برابر قلیایی‌ها دارد و در دماهای بالا با محلول‌های قلیایی واکنش خواهد داد.

علاوه بر این، شیشه کوارتز با بیشتر اکسیدها، فلزات، غیر فلزات و گازها در دماهای معمولی واکنش نشان نمی‌دهد. خلوص بسیار بالا و پایداری شیمیایی خوب شیشه کوارتز باعث می‌شود که این ماده برای استفاده در محیط‌های با نیازهای تولیدی بالا، مانند صنعت نیمه‌هادی، مناسب باشد.

Pure quartz glass is composed of a single component, silicon dioxide (SiO₂). Unlike the regular periodic arrangement of Si-O in quartz crystals, the Si-O bonds in quartz glass are arranged in a short-range ordered and long-range disordered state, so that its physical properties show isotropy. Due to the strong and stable bond energy of Si-O, quartz glass has a high softening temperature and a series of excellent properties.

micqstore.com/blogs/news/properties-and-applications-of-quartz-glass