Over kwartsglas, materiaaleigenschappen

Deze pagina printen

Kwartsglas kan op de volgende manieren gesmolten worden:

elektrisch, met de vlam, in een plasma of met een elektrische vlamboog. De grondstof kan natuurlijk kwartszand SiO2 of synthetisch siliciumtetrachloride (SiCl4) zijn. Uit de combinatie van productiemethoden en grondstoffen ontstaan de zes hoofdsoorten van ons kwartsglas: EN (elektrisch gesmolten natuurlijke kwarts); FN-serie (met de vlam gesmolten natuurlijke kwarts); PN-serie (met plasma gesmolten natuurlijke kwarts); FS-serie (met de vlam gesmolten synthetische kwarts); PS (met plasma gesmolten synthetische kwarts) serie; AN-serie (elektrisch gesmolten natuurlijke kwarts).

Elektrisch gesmolten kwartsglas

Elektrische fusie is het meest gebruikte smeltproces voor de productie van kwartsglas. Dit proces maakt gebruik van verwarmingsweerstanden om natuurlijk kwartszand te smelten in buizen van kwartsglas, staven, blokken, enz. Er zijn twee methoden voor elektrische fusie, continue fusie en batch-fusie. In het continue proces wordt kwartszand continu gegoten in het bovenste deel van een wolfraam kroes omgeven door elektrische verwarmingselementen. De binnenkroes wordt in een neutrale of enigszins reducerende atmosfeer gehouden die ervoor zorgt dat silica niet reageert met het vuurvaste metaal terwijl het siliciumdioxide binnenin wordt gesmolten. Het gesmolten kwarts vloeit via de gietmond aan de onderkant van de kroes naar buiten en wordt zo tot een buis, staaf enzovoort gevormd. Het OH gehalte kan worden gereduceerd door gloeien. Bij het batch-fusieproces worden verscheidene tonnen grondstofmateriaal geplaatst in een vuurvaste vacuümkamer die verwarmingselementen uit grafiet bevat om buizen, staven enzovoorts te produceren. De OH is meestal minder dan 2 ppm. Door de lage OH-waarde heeft elektrisch gesmolten kwartsglas een hoge transmissie in het infrarode gebied. Het elektrisch gesmolten kwartsglas heeft gewoonlijk bepaalde bellen en treklijnen op het glasoppervlak.

Vlam gesmolten kwartsglas

Vlamsmelten is een proces met twee stappen. Het eerste proces is het natuurlijke kwartszand of synthetische SiC14 smelten met een waterstof / zuurstof (H2/O2) vlam tot een solide ronde staaf. Het tweede proces is om de ingots verder vorm te geven in verschillende vormen en afmetingen. Vlam gesmolten kwartsglas bevat een overvloedige hoeveelheid hydroxyl (OH) als gevolg van het directe contact tussen de H2/O2 en het ruwe siliciumdioxide materiaal. Dit OH-gehalte kan niet worden verminderd door gloeien en de aanwezigheid ervan verlaagt de viscositeit en de infraroodtransmissie. Het met de vlam gesmolten kwarts heeft geen treklijnen en een zeer laag gehalte aan luchtbellen.

Plasma gesmolten kwartsglas

Plasmafusie is ook een proces met twee stappen. Het eerste proces is het smelten van het natuurlijke kwartszand of synthetisch SiCl4 in een plasmavlam tot een massieve ronde staaf. Het tweede proces is om de ingots verder te vormen in verschillende vormen en afmetingen. Plasma gesmolten kwarts heeft een lage OH-waarde van gewoonlijk minder dan 5 ppm, dus het heeft een goede infraroodtransmissie. Het met plasma gefuseerde kwarts heeft een zeer laag gehalte aan luchtbellen en heeft geen treklijn.

Met vlamboog gesmolten opake kroezen

Smelten met elektrische vlamboog is een veel gebruikte proces voor de productie van smeltkroezen die gebruikt worden voor het laten groeien van monokristallijne siliciumstaven.

Thermische eigenschappen

Een van de meest aantrekkelijke kenmerken van kwartsglas is de zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt (UC). De gemiddelde UC-waarde voor kwartsglas bij ongeveer 5,0 x 10-7/°C is vele malen lager dan die van andere gebruikelijke materialen. Om dit in perspectief te plaatsen, stel je voor dat 13 blokken roestvrij staal, borosilicaatglas en kwartsglas in een oven werden geplaatst en verwarmd tot 500 °C. Het volume van het roestvrijstalen blok zou met meer dan 28 liter en dat van het blok in borosilicaatglas met 5 liter toenemen. Het kwartsblok zou met minder dan één liter uitzetten. Een dergelijke lage uitzetting maakt het mogelijk dat het materiaal bestand is tegen zeer ernstige thermische schokken.

Het is mogelijk om zonder te breken, snel dunne stukken kwartsglas te koelen van meer dan 1000 °C tot kamertemperatuur door ze in koud water te dompelen. Het is echter belangrijk om te beseffen dat de thermische schokbestendigheid afhangt van andere factoren dan de UC, zoals de oppervlaktetoestand (die sterkte definieert) en de geometrie. De verschillende soorten gesmolten siliciumdioxide en gesmolten kwarts hebben vrijwel identieke UC’s en kunnen dus worden samengevoegd zonder een verhoogd risico op thermisch geïnduceerde breuk.

 

Technische eigenschappen Elektrisch gesmolten kwartsglas Vlam gesmolten kwartsglas Gesmolten Silica
Thermische data (°C) Verwekingspunt
Ontspanningstemperatuur, hoog
Ontspanningstemperatuur, laag
Max. bedrijfstemperatuur continu>
Max. bedrijfstemperatuur  korte duur
1710
1220
1125
1100
1300
1660
1160
1070
1110
1250
1600
1100
1000
950
1200
Gemiddelde soortelijke warmte
(J/kg · K)
0 …100 °C
0 …500 °C
0 …900 °C
772
964
1052
772
964
1052
772
964
1052
Warmtegeleidings-vermogen
(W/m · K)
20 °C
100 °C
200 °C
300 °C
400 °C
950 °C
1.38
1.47
1.55
1.67
1.84
2.68
1.38
1.47
1.55
1.67
1.84
2.68
1.38
1.47
1.55
1.67
1.84
2.68
Gemiddelde lineaire uitzettings-
coëfficiënt (K–1)
0 …100 °C
0 …200 °C
0 …300 °C
0 …600 °C
0 …900 °C
– 50 …0 °C
5.1 × 10 –7
5.8 × 10 -7
5.9 × 10 -7
5.4 × 10 -7
4.8 × 10 -7
2.7 × 10 -7
5.1 × 10 -7
5.8 × 10 -7
5.9 × 10 -7
5.4 × 10 -7
4.8 × 10 -7
2.7 × 10 -7
5.1 × 10 –7
5.8 × 10 -7
5.9 × 10 -7
5.4 × 10 -7
4.8 × 10 -7
2.7 × 10 -7

Mechanische eigenschappen, sterkte en betrouwbaarheid

De theoretische treksterkte van kwartsglas is groter dan 1 miljoen psi. Helaas is de kracht die in de praktijk wordt waargenomen altijd ver onder deze waarde. De reden hiervoor is dat de praktische sterkte van glas extrinsiek wordt bepaald in plaats van uitsluitend het resultaat te zijn van chemie en atomaire structuur, evenals een intrinsieke eigenschap zoals dichtheid. Het is de oppervlaktekwaliteit in combinatie met ontwerpoverwegingen en chemische effecten van de atmosfeer (met name waterdamp) die uiteindelijk de sterkte en betrouwbaarheid van een afgewerkt stuk kwartsglas bepalen. Vanwege spanningsconcentratie op onvolkomenheden aan het oppervlak treedt breuk meestal altijd op in trekspanning in plaats van compressie.

Met andere woorden: “betrouwbaarheid hangt van de kans af”.

Dit zou ook kunnen worden verklaard als de waarschijnlijkheid dat het stuk een mechanische spanning zal ervaren die groter is dan de sterkte van eventuele bestaande gebreken. Als gevolg van deze afhankelijkheid van waarschijnlijkheid neemt de betrouwbaarheid af naarmate de afmeting van het glazen voorwerp toeneemt. Evenzo, als het aantal stukken in dienst toeneemt, neemt ook de kans op een mislukking toe.

Oppervlaktetoestand is erg belangrijk. Bewerkte oppervlakken zijn bijvoorbeeld zwakker dan gepolijste oppervlakken. Bovendien zijn oudere oppervlakken meestal zwakker dan jongere oppervlakken als gevolg van blootstelling aan stof, vocht of algemene slijtage. Deze factoren moeten grondig worden overwogen bij het vergelijken van de sterke punten van verschillende “merken” van kwartsglas.

Dit komt omdat deze testen in werkelijkheid vaak slechts vergelijkingen zijn van de oppervlaktekwaliteit als gevolg van monstervoorbereiding, kleine verschillen waarin verschillen in intrinsieke sterkte gemakkelijk overwonnen kunnen worden.

Mechanische gegevens Elektrisch
gesmolten kwarts
Met de vlam
gesmolten kwarts
Gesmolten Silica
Dichtheid (g/cm2) 2.203 2.203 2.201
Mohs hardheid 5.5 … 6.5 5.5 … 6.5 5.5 … 6.5
Micro hardheid (N/mm2) 8600 … 9800 8600 … 9800 8600 … 9800
Knoop hardheid (N/mm2) 5800 … 6100 5800 … 6100 5800… 6200
Elasticiteitsmodulus bij 20 °C (N/mm2) 7.25 × 104 7.25 × 104 7.25 x 104
Torsiemodulus (N/mm2) 3.0 × 104 3.1 × 104 3.0 x 104
Poisson’s ratio 0.17 0.17 0.17
Druksterkte (ong.) (N/mm2) 1150 1150  1150

Elektrische eigenschappen

Gecontroleerd warmtebeheer en aanhoudende hoge temperaturen zijn cruciaal in veel industriële processen, vooral in de halfgeleiderindustrie.

Gesmolten silica is een goede elektrische isolator, die een hoge soortelijke weerstand behoudt bij verhoogde temperaturen en heeft tevens uitstekende hoogfrequente karakteristieken. De grote bandspleet die inherent is aan de elektronische structuur van de silicium zuurstofbinding heeft tot gevolg dat de elektrische geleiding wordt beperkt tot de stroom die wordt gedragen door mobiele ionische onzuiverheden. Omdat het niveau van deze onzuiverheden erg laag is, is de elektrische weerstand overeenkomstig hoog.

Omdat ionische geleiding gerelateerd is aan de diffusiecoëfficiënt van de ionische dragers, heeft de resistiviteit ook een sterke exponentiële temperatuurafhankelijkheid. Vandaar dat, in tegenstelling tot typische geleiders zoals metalen, de resistiviteit afneemt bij toenemende temperatuur.

De diëlektrische constante van kwartsglas heeft een waarde van ongeveer 4 die aanzienlijk lager is dan die van andere glazen. Deze waarde verandert weinig over een breed bereik van frequenties. De reden voor de lage diëlektrische constante is wederom het gebrek aan sterk geladen mobiele ionen, maar is ook het gevolg van de stijfheid van het silicium zuurstofnetwerk dat een zeer lage polariseerbaarheid aan de structuur verleent.

Parameter Elektrisch gesmolten kwartsglas Vlam gesmolten kwartsglas Gesmolten Silica
Elektrische weerstand in Ω × m 20 °C 1018 1018 1016
400 °C 1010 1010 1010
800 °C 6.3 × 106 6.3 × 106 6.3 × 106
1200 °C 1.3 × 105 1.3 × 105 1.3 × 105
Diëlektrische sterkte in KV/mm 20 °C 25 …40 25 …40 25 …40
(monster dikte ≥ 5 mm) 500 °C 4 …5 4 …5 4 …5
Diëlektrische verlieshoek (tg δ) 1 kHZ 5.0 × 10 –4 5.0 × 10 –4 5.0 × 10 –4
1 MHz 1.0 × 10 –4 1.0 × 10 –4 1.0 × 10 –4
30 GHz 4.0 × 10 –4 4.0 × 10 –4 4.0 × 10 –4
Diëlektrische constante(ε) 20 °C: 0 …106 Hz 3.70 3.70 3.70
23 °C: 9 × 108 Hz 3.77 3.77 3.77
23 °C: 3 × 1010 Hz 3.81 3.81 3.81

Chemische zuiverheid

Zuiverheid is cruciaal voor de meeste industriële toepassingen en processen. Gesmolten silica heeft een uitstekende hoge zuiverheid en is daarom een ​​onmisbaar materiaal in de fabricage van hightech producten.
Ondanks dat ze op zeer lage niveaus aanwezig zijn, hebben verontreinigingen subtiele, maar significante effecten. Zuiverheid wordt meestal bepaald door de grondstof, de productiemethode en de daaropvolgende verwerkingsprocedures. Speciale voorzorgsmaatregelen moeten in alle productiefasen worden genomen om een ​​hoge zuiverheid te behouden. Daarnaast heeft Heraeus verschillende zuiveringsstappen om de kwaliteit van het kwartszand als grondstof nog verder te verbeteren.

De meest voorkomende onzuiverheden zijn metalen (zoals Al, Na en Fe onder andere), water (aanwezig als OH-groepen) en chloor. Deze verontreinigingen beïnvloeden niet alleen de viscositeit, optische absorptie en elektrische eigenschappen van het kwartsglas. Ze kunnen ook de eigenschappen beïnvloeden van materialen die in contact met het kwartsglas zijn verwerkt tijdens de uiteindelijke gebruikstoepassing.

De zuiverheid van gesmolten kwarts en gesmolten siliciumdioxide zijn opmerkelijk hoog. Synthetisch gesmolten siliciumdioxide van Heraeus bevat een totale metaalverontreiniging van minder dan 1 ppm. Voor gesmolten kwarts is de hoeveelheid ongeveer 20 ppm en bestaat in hoofdzaak uit Al2O3 met veel kleinere hoeveelheden alkaliën, Fe2O3, TiO2, MgO en ZrO2.
OH-gehalte
Naast metallische verontreinigingen, bevatten gesmolten kwarts en gesmolten siliciumdioxide ook water dat aanwezig is als OH-groepen. Het OH-gehalte beïnvloedt de fysische eigenschappen zoals verzwakking en viscositeit. Algemeen, een hoog OH-gehalte betekent een lagere gebruikstemperatuur. Typische waarden worden gegeven in de tabel. Elektrisch gesmolten kwarts heeft het laagste hydroxylgehalte (<1 - 30 ppm) omdat het gewoonlijk wordt gemaakt in vacuüm of in een droge atmosfeer. Het hydroxylgehalte in dit bereik zit niet vast in de glasstructuur. Het kan omhoog of omlaag gaan, afhankelijk van de thermische behandeling en de hoeveelheid vocht waaraan het kwartsglas bij verhoogde temperatuur wordt blootgesteld. Vlam gesmolten kwarts heeft significant meer hydroxyl (150 - 200 ppm) aangezien fusie optreedt in een waterstof / zuurstofvlam. Vanwege de productiewerkwijze heeft synthetisch gesmolten siliciumoxide een vergelijkbaar hoog OH-gehalte tot 1000 ppm. Samenstelling van chemische elementen (ppm) voorbeeld van onze EN-kwaliteit
SiO2 Al Fe Ca Mg Ti Ni Mn Cu B Co K Na Li OH
99,98% 12,25 0.10 0,38 0,05 1.30 0,03 0,04 0,02 0,09 0,01 0,33 0,78 0,63 210

Hantering – Reiniging – stockage van gesmolten kwarts

Een zorgvuldige en juiste reiniging en behandeling van kwartsglas producten zijn belangrijke factoren bij het behoud van de eigenschappen van kwartsglas en de verlenging van de levensduur. Kwartsglas zeer gevoelig voor alkali- en aardalkalimetaal verbindingen, zelfs de kleinste sporen versnellen ontglazing (kristallisatie) bij hoge temperaturen. Daarom mag kwartsglas in principe alleen met handschoenen worden aangeraakt. Vingerafdrukken en de bijbehorende alkalische sporen moeten vóór gebruik met alcohol worden verwijderd.

Voor eenvoudige reiniging voor en na gebruik, raden wij aan:

1. Maak kwartsglas producten schoon met niet-alkalische reinigingsmiddelen en / of reinigingsalcohol

2. Nabehandeling in gedestilleerd (gedemineraliseerd) water

3. Drogen in een schone omgeving, dan zo snel mogelijk verpakken of verwerken.

Voor persistente verontreinigingen bieden we een chemische reiniging in een zuurbad als service aan, afhankelijk van het type en de mate van verontreiniging.

Kwartszand

Kwartszand