Szkło kwarcowe
Jest to szkło o bardzo dużej zawartości czystej krzemionki (SiO2 ≥ 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.
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 JGS-1
JGS-1 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 JGS-1 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 JGS-1 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 JGS-2
JGS-2 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 JGS-1. Może zawierać niewielką ilość bąbelków i inkluzji. Najczęstsze zastosowania to: optyka, urządzenia wysokotemperaturowe i wysokociśnieniowe, szkła wzierne, szkiełka mikroskopowe.
Szkło kwarcowe JGS-3
JGS-3 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 JGS-3 stosuje się przy zakresach fal od 260 nm do 3500 nm.
Szkła kwarcowe JGS-1, JGS-2 i JGS-3 różnią się przede wszystkim zakresem przepuszczanego promieniowa elektromagnetycznego:
- szkło JGS-1 - 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 JGS-2 - 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 JGS-3 - 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 JGS-1, JGS-2 i JGS-3:
Gęstość oraz współczynnik rozszerzalności liniowej
| Rodzaj szkła | Gęstość [g/cm3] | Współczynnik rozszerzalności liniowej（α×10ˉ7/℃) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0℃ | 50℃ | 100℃ | 300℃ | 500℃ | 800℃ | 1000℃ | ||
| JGS-1 | 2.201 | 3.9 | 4.8 | 5.15 | 6.12 | 5.4 | 4.65 | 4.26 |
| JGS-2 | 2.203 | 3.9 | 4.8 | 5.15 | 6.12 | 5.4 | 4.65 | 4.26 |
| JGS-3 | 2.203 | 3.9 | 4.8 | 5.15 | 6.12 | 5.4 | 4.65 | 4.26 |
Pozostałe parametry
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| 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 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| JGS-1 | 1.46669 | 1.46314 | 1.46007 | 1.45847 | 1.45637 | |
| JGS-2 | 1.46679 | 1.46324 | 1.46021 | 1.45857 | 1.45646 | |
| JGS-3 | 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 JGS-x.
Mleczne (matowe) szkło kwarcowe 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 .
Mleczne szkło kwarcowe, zwane także szkłem matowym (ang. Opaque Quartz, Satin Quartz, Milky 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:
|
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).
Właściwości mlecznego/matowego szkła kwarcowego JGSM
| Gęstość | 1.95 x 103 kg/m3 |
| Wytrzymałość na ściskanie | 1.0 x 109 Pa (N/m2) |
| Współczynnik rozszerzalności cieplnej (@ 20°C - 300°C) | 5.5 x 10-7 cm/cm°C |
| Przewodność cieplna (@ 20°C) | 0.64 W°K |
| Przewodność cieplna (@ 1090°C) | 0.88 W°K |
| Ciepło właściwe (@ 20°C) | 650 J/kg°C |
| Punkt mięknienia | 1600 °C |
| Punkt wyżarzania | 1100 °C |
Skład chemiczny:
| Element | Al | Fe | K | Li | Cu | Na | B | Ca | Mg | P | It | OH |
| Zawartość [ppm] | 65.00 | 1.17 | 4.40 | 7.21 | 0.13 | 5.00 | 0.10 | 1.21 | 0.07 | - | - | - |
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.