Continental Trade Sp. z o. o.

Szkło

Szkło kwarcowe

Jest to szkło o bardzo dużej zawartości czystej krzemionki (SiO≥ 99,9%) pozyskiwanej np. z kwarcytów i kryształów górskich. Jest odporne na działanie wody i silnych kwasów (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego)  oraz mało odporne (w porównaniu z innymi rodzajami szkła) na działanie alkaliów. Szkło kwarcowe charakteryzuje się wysoką temperatura topnienia i małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, co sprawia, że jest odporne na nagłe zmiany temperatury (odporne na tzw. szok termiczny). Przepuszcza promieniowanie nadfioletowe oraz podczerwone. Zakres i poziom przepuszczalności promieniowania jest zależny od domieszek zastosowanych podczas wytopu.

W zależności od procesu technologicznego (sposobu wytopu) wyróżnia się:

  • szkło kwarcowe naturalne - dzięki małej zawartości zanieczyszczeń i pierwiastków śladowych nadaje się do pracy w wysokiej temperaturze (>1000ºC) oraz do zastosowań optycznych wymagających przepuszczalności od ultrafioletu do podczerwieni.
  • szkło kwarcowe syntetyczne  - dzięki stosowaniu pirolizy w procesie wytopu uzyskuje się szkło jednorodne o dobrej przepuszczalności dla promieniowania ultrafioletowego (nawet od 170 nm)

Ważnym parametrem w doborze odpowiedniego rodzaju szkła kwarcowego jest przepuszczalność promieniowania elektromagnetycznego. Różne rodzaje szkła przepuszczają w różnym stopniu poszczególne zakresy promieniowania. Poniższy rysunek pokazuje podział widma promieniowania elektromagnetycznego na zakresy i podzakresy w odniesieniu do podczerwieni i ultrafioletu.

Spectrum promieniowania elektromagnetycznego

Zależnie od aplikacji, należy dobierać szkło kwarcowe generujące ozon (obszar VUV) lub działające bakteriobójczo (obszar UV-C). Bliska i średnia podczerwień (obszary NIR, MIR) wykorzystywane są przy ogrzewaniu i suszeniu. Szkła kwarcowe, zależnie od rodzaju, przepuszczają dobrze promieniowanie z zakresu od UV-C do MIR (od ok. 100 nm do 3 500 nm). Wykres przepuszczalności promieniowania elektromagnetycznego (światła) jest pokazany dla każdego omawianego poniżej rodzaju szkła kwarcowego.

Szkło kwarcowe JGS1
Przepuszczalność szkła JSG1
Przepuszczalność szkła JSG1

Szkło kwarcowe JGS1

JGS1 jest odpowiednikiem szkła  Suprasil 1 i Suprasil 2 (Heraeus), Spectrosil A i Spectrosil B (Saint-Gobain) oraz Corning 7940 (Corning), Dynasil 1100 and Dynasil 4100 (Dynasil). Jest wytwarzane z syntetycznej krzemionki  o bardzo wysokiej czystości (SiO2 ponad 99,9999%). Bezbarwne szkło kwarcowe łączy niski współczynnik rozszerzalności cieplnej z dobrymi właściwościami optycznymi i doskonałą przepuszczalnością w ultrafiolecie. Szkło JGS1 jest przejrzyste w ultrafiolecie i paśmie widzialnym. Zawiera domieszki grupy OH powodujące słabą przepuszczalność podczerwieni w przedziałach 1,4 µm, 2,2 µm oraz 2,7 µm..

Szkło JGS1 jest wykorzystywane w zakresie długości fal od głębokiego ultrafioletu poprzez zakres widzialny (soczewki laserowe, okna, pryzmaty, ogniwa słoneczne, itp). Szkło to jest praktycznie wolne od pęcherzyków i inkluzji.

Szkło kwarcowe JGS2
Przepuszczalność szkła JSG2
Przepuszczalność szkła JSG2

Szkło kwarcowe JGS2

JGS2 jest odpowiednikiem szkieł: GE214,  Homosil 1, 2 i 3 (Heraeus), Dynasil 1000, 4000, 5000 i 6000 (Dynasil). Jest wytwarzane z syntetycznej krzemionki  o bardzo wysokiej czystości (SiO2 ponad 99,99%). Zapewnia dobrą przepuszczalność światła widzialnego i ultrafioletu. Jest dobrym materiałem dla zastosowań w paśmie od 220 nm do 2500 nm. Właściwości fizyczne i chemiczne ma zbliżone do szkła JGS1. Może zawierać niewielką ilość bąbelków i inkluzji. Najczęstsze zastosowania to: optyka, urządzenia wysokotemperaturowe i wysokociśnieniowe, szkła wzierne, szkiełka mikroskopowe.

 

Szkło kwarcowe JGS3
Przepuszczalność szkła JSG3
Przepuszczalność szkła JSG3

Szkło kwarcowe JGS3

JGS3 jest odpowiednikiem szkła Suprasil 300 (Heraeus). Jest wytwarzane z syntetycznej krzemionki  o bardzo wysokiej czystości. Łączy w sobie doskonałe właściwości fizyczne z bardzo dobrymi cechami optycznymi. Jest przezroczyste w szerokim zakresie pasma, począwszy od głębokiego ultrafioletu do pełnej podczerwieni. Jest to materiał o doskonałej przepuszczalności światła. Zwykle stosowany w podczerwieni, ale także w implementacjach wymagających szerokiego zakres długości fali od UV-d do IR-m.

Szkło JGS3 stosuje się przy zakresach fal od 260 nm do 3500 nm.

Porównanie własności szkieł grupy JGS
Porównanie przepuszczalności szkiel JSG1, JSG2 i JSG3
Porównanie przepuszczalności szkiel JSG1, JSG2 i JSG3

Szkła kwarcowe JGS1, JGS2 i JGS3 różnią się przede wszystkim zakresem przepuszczanego promieniowa elektromagnetycznego:

  • szkło JSG1 - przepuszcza promieniowanie ultrafioletowe, praktycznie pozbawione bąbelków i inkluzji, zakres zastosowań już od 170 nm do 2500 nm; nie przepuszcza zakresu 2600 - 2800 nm, tłumi promieniowanie podczerwone
  • szkło JSG2  - dobra przepuszczalność światła widzialnego i ultrafioletu; może zawierać niewielkie ilości bąbelków i inkluzji, jest dobrym materiałem dla zastosowań w paśmie od 220 nm do 2500 nm; nie przepuszcza zakresu 2600 - 2800 nm
  • szkło JSG3  - przepuszcza dobrze promieniowanie podczerwone, dobry materiał dla zastosowań w paśmie 260 nm do 3500 nm.

 

Własności fizykochemiczne powyższych szkieł są zbliżone i zostały pokazane poniżej.

Typowe właściwości szkieł kwarcowych  JGS1, JSG2 i JSG3:

Średnia przepuszczalność dla ultrafioletu i podczerwieni [%]

Długość fali [nm]/
rodzaj szkła
185220240300250027002800Zakres zastosowań
[nm]
JGS1 >85 >85 >87 >90       185~2500
JGS2   >80 >75 >80       220~2500
JGS3     >50 >80 >85 >75 >75 260~3500

Gęstość oraz współczynnik rozszerzalności liniowej

Rodzaj szkłaGęstość [g/cm3]Współczynnik rozszerzalności liniowej(α×10ˉ7/℃)
0℃ 50℃ 100℃ 300℃ 500℃ 800℃ 1000℃
JGS1 2.201 3.9 4.8 5.15 6.12 5.4 4.65 4.26
JGS2 2.203 3.9 4.8 5.15 6.12 5.4 4.65 4.26
JGS3 2.203 3.9 4.8 5.15 6.12 5.4 4.65 4.26

Pozostałe parametry

ParametrWartość
Czystość SiO2:99.95-99.99%
Moduł sprężystości Young'a 72 GPa
Liczba Poissona 0,14 - 0,17
Twardość wg skali Mohs'a 5,5 - 6,5
Wytrzymałość na ściskanie 1 100 N/mm2
Wytrzymałość na rozciąganie 48  N/mm2
Wytrzymałość na zginanie 67 N/mm2
Przewodność cieplna 1,4 W/(m K)
Ciepło właściwe 0,670 kJ/(kg K)
Punkt wyżarzania 1215 °C
Punkt mięknięcia 1683 °C
Odporność na szok termiczny ΔT  >1 400 °C
Maksymalna temperatura pracy 
 - stała 1 100 °C
 - chwilowa 1 300 °C

Właściwości optyczne

Wsp. załamania światła

Kod zakresu/

rodzaj szkła

∩g∩F∩e∩d∩D∩c
JGS1 1.46669 1.46314 1.46007 1.45847   1.45637
JGS2 1.46679 1.46324 1.46021 1.45857   1.45646
JGS3 1.46679 1.46324 1.46021 1.45857   1.45646

Właściwości chemiczne

Odporność na wodę
   Test wg  ISO 719 (w 98 °C): klasa HGB 1 
   Test wg  ISO 720 (w 121 °C): klasa HGA 1 

Odporność zasadowa
   Test wg DIN 52 322 (zgodnie z ISO 695): klasa A2

Odporność kwasowa
   Test wg DIN 12 116: klasa 1

Właściwości elektryczne

Opór właściwy 
   dla   20°C = 1 x 1016 Ω cm 
   dla  400°C = 1 x 108 Ω cm 
   dla  800°C = 6,3 x 104 Ω cm 
   dla 1200°C = 1,3 x 103 Ω cm

Właściwości dielektryczne

Dla 25° C i 1 MHz: 
   stała dielektryczna εr=3,7 - 3,9 
   tangens strat tgδ =1 x10-4

 

 

Jest wiele różnych terminologii stosowanych w nazewnictwie szkieł kwarcowych. W poniższym dokumencie (gotowym do pobrania) omawiamy niektóre z nich, a także podajemy najważniejsze informacje dotyczące właściwości i dziedzin aplikacji szkieł z grupy JGSx. 

Tabela odporności chemicznej szkieł kwarcowych

Tabela odporności chemicznej szkieł kwarcowych.

 

Szkło kwarcowe matowe JGSM
Przepuszczalność OM 100 i innych kwarców
Przepuszczalność OM 100 i innych kwarców

Szkło kwarcowe matowe JGSM

Matowość szkła kwarcowego uzyskuje się przez dodanie powietrza w procesie topienia piasku kwarcowego. W temperaturze ok. 2000 ˚C powstaje szklisty materiał z dużą ilością pęcherzyków gazowych, powodujących rozpraszanie światła i nadających materiałowi matowość.

O jakości materiału decyduje równomierność rozłożenia pęcherzyków, ich wymiary oraz kształt. Liczne małe pęcherzyki (ok. 10 µm) lepiej rozpraszają światło, niż pęcherzyki duże i  nieliczne (np. 50 – 150 µm) – dające gorszy efekt matowości, szczególnie przy małych grubościach materiału .

Szkło kwarcowe matowe (Opaque Quartz), dzięki rozpraszaniu promieniowania w mikroporach, jest bardzo dobrym izolatorem termicznym, blokuje promieniowanie podczerwone IR, ma mikroporowatą strukturę o wysokiej gęstości i gładkiej powierzchni. Może być obrabiane mechanicznie przy rozsądnych kosztach. Jest nieprzezroczyste, może być stosowane w wysokich temperaturach (stała temperatura pracy do 1100 ˚C) i  w środowisku agresywnym chemicznie.

Niska porowatość materiału pozwala na uzyskanie właściwości zbliżonych do kwarcu topionego, przy jednoczesnej możliwości spawania gazowego bez kurczenia się materiału i przy zachowaniu gładkich spoin. Może być łączone z kwarcem przezroczystym.

Jeśli zastosuje się polerowanie płomieniowe, to wierzchnie mikropory zasklepiają się, tworząc czystą i gładką powierzchnię. Nie powstaje tzw. efekt „skórki pomarańczowej”. Poza kosmetyczną poprawą wyglądu, gładsza powierzchnia umożliwia stosowanie cienkich uszczelek w zastosowaniach próżniowych. Ponadto zmniejszona porowatość powierzchni zwiększa odporność materiału na działanie kwasu fluorowodorowego (HF). Powierzchnie wygładzane płomieniowo pozostają gładkie nawet po długotrwałym działaniu kwasu HF.

Zalety materiału:

  • doskonały izolator termiczny
  • blokowanie promieniowania UV i IR
  • wysoka maksymalna temperatura pracy
  • bardzo gładka powierzchnia
  • wysoka czystość chemiczna
  • wysoka odporność chemiczna
  • dobra wytrzymałość mechaniczna
  • nie kurczy się podczas polerowania ogniowego,
  • daje się łatwo spawać z kwarcem przezroczystym,
  • łatwe uszczelnianie w zastosowaniach ciśnieniowych.

Odporność na działanie 5% kwasem fluorowodorowym (HF)

Odporność na działanie 5% kwasem fluorowodorowym (HF)

Specjalistyczne zastosowania wymagające zwiększonej odporności chemicznej i termicznej oraz wysokiego i jednolitego poziomu rozpraszania promieniowania powinny opierać się o wykorzystanie materiałów produkowanych przez uznanych producentów np. Heraus (OM100, Rotosil  OFM 70,  OFM 370, OFM 970 OSC), czy  Momentive (GE514, GE544).  

Standardowe zastosowania, wymagające jedynie rozpraszania światła w połączeniu z wysoką temperaturą pracy mogą być zrealizowane w oparciu o materiały alternatywnych producentów oferujących materiały o zbliżonych właściwościach ale efektywniejsze kosztowo.

Porównanie niektórych właściwości materiału OM100 z jego odpowiednikami przedstawiają zamieszczone wykresy.

Dane prezentowane w niniejszym opracowaniu oparte są na najlepszej wiedzy. Continental Trade zastrzega sobie możliwość ich aktualizacji i wprowadzania zmian zgodnie z postępem wiedzy i techniki. Podane dane nie są jednak podstawą przyjęcia odpowiedzialności za poprawne funkcjonowanie, które jest uwarunkowane wieloma czynnikami, wymagającymi rozpoznania dla każdego indywidualnego przypadku.