Плавленый кварц. Кварцевые стекла: особенности производства, гост

Очарование лабораторного кварца July 5th, 2014

Если вы работали в лаборатории, то скорее всего привыкли к тому, что лабораторное стекло сделано из кварца. Однако, вероятно вы даже не догадывались о причине того, почему это стекло настолько прочное, что делает его не менее сложным для производства. Поэтому взгляните на эти чудесные gif от Global Research, которые демонстрируют очарование кварца.

Немного информации:

данное лабораторное стекло может выдерживать безумную температуру и химические реакции именно потому, что состоит из чистого кварца. Это значит, что оно не содержит всех тех примесей, которые есть в обычном стекле, что делает его легким для формирования при более низких температурах. Вместо этого, лабораторные стекляшки являются чем-то вроде кристалла кварца, которому придали определенную форму. А значит, чтобы сформировать его, требуется температура более 1600 градусов Цельсия.

Стекло кварцевое — однокомпонентное силикатное стекло, изготавливаемое путем плавления горного хрусталя, жильного или оптического кварца, кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния

Кварцевая стекломасса демонстрирует крайне узкий интервал размягчения и отличается высокой вязкостью, за счет чего и показатели вязкости готового кварцевого стекла даже при температуре порядка 2000º С более чем в 100 раз превышают показатели вязкости многокомпонентных стекол. Помимо вязкости, стекло кварцевое характеризуется:

Высокой пробивной напряженностью и практически не имеет потерь в широком диапазоне частот;
- малой диэлектрической проводимостью;
- высоким уровнем светопропускания в широкой области спектра, начиная с короткой УФ области до середины ИК (от 160 до 3500 мм).

Кварцевое стекло является одним из лучших изоляционных материалов, благодаря чему изделия из кварцевого стекла находят широкое применение в электротехнической, светотехнической, оптической, медицинской и других отраслях. Особого внимания заслуживают превосходные электроизоляционные свойства кварцевого стекла при повышенной температуре, что обуславливает востребованность в радиоэлектронной промышленности такого типа стекла как электровакуумное стекло.

Стекло кварцевое: виды кварцевого стекла и области его применения

Величину электропроводности и другие свойства кварцевого стекла определяют имеющиеся в нам примеси (Na+, К+, Li+)., за счет чего стекло кварцевое делится на следующие виды:

Непрозрачное кварцевое стекло — изготовление ведется из чистого кварцевого или жильного песков. Изделия из непрозрачного кварцевого стекла используются для комплектации термостойкой лабораторной аппаратуры, муфелей для электрических печей, чехлов для термопар и стеклобруса.

Прозрачное техническое стекло получают путем плавления горного хрусталя или синтетического диоксида кремния. Данный вид стекло обладает высокой прозрачностью и минимальным коэффициентом светопреломления, за счет чего прозрачное техническое кварцевое стекло применяется для комплектации лабораторного оборудования, радиоаппаратуры и получения стекловолокна.

Оптическое кварцевое стекло, изготовление которого осуществляется из специального оптического кварца. Оптический кварц обладает высокой степенью химической чистоты, что в свою очередь обеспечивает оптическому стеклу уникально высокую степень светопропускания;

Особо чистое стекло — кварцевое стекло с минимальным содержанием пузырьков, включений и повышенным светопропусканием, включая ИК область спектра. Столь уникальные свойства обуславливают возможность использования особо чистого кварцевого стекла в оптоволоконной технике, микроэлектронике, системах аэрокосмической навигации и высококачественных оптических приборах.

Керамическое стекло, обладающее высокой термической и радиационной стойкостью, кислотоустойчивостью и радиопрозрачностью, используется для производства широкого ассортимента огнеупорных изделий.

Легированное стекло — кварцевое стекло с легирующими добавками в составе.

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.

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.  

В отличие от лабораторного стекла плавленый кварц (кварцевое стекло) размягчается при температуре 1500-1600°С. Кварцевое стекло обладает значительно большей вязкостью, чем обычное. Переход от вязкого, размягченного состояния к хрупкому происходит в очень небольшом интервале температур. Кварцевое стекло наиболее «короткое» из всех видов стекла. Стапливанию и перемещению его препятствует большая вязкость, поэтому кварцевые изделия не имеют одинаковой толщины стенок. Заготовки, трубки из кварцевого стекла также имеют неодинаковую толщину и диаметр.

Для работы с кварцевым стеклом нужна специальная горелка с кислородным дутьем, способная давать температуру пламени 1800-2000°С. Изделие, нагретое на такой горелке, ярко светится. Работать с такой горелкой можно только в темных защитных очках.

Технические трудности по получению широкого высокотемпературного пламени заставляют все работы по изготовлению кварцевых изделий вести на сравнительно узком пламени горелки. Это требует определенных навыков и сноровки. Нагретый свыше 480°С кварц легко реагирует с осевшими на его поверхности пылевидными частицами. Небольшой налет пыли на поверхности кварцевого стекла образует при нагревании стеклянную корочку, которая легко растрескивается и может привести изделие в негодность. Особые требования предъявляют к чистоте стеклодувного инструмента, рабочего места и рук стеклодува. Стеклодувные инструменты (развертки, укатки, плиты и др.) для изготовления кварцевой посуды должны быть изготовлены из графита. Можно пользоваться также инструментами из вольфрама.

Кварцевую посуду готовят так же, как и изделия из обычного стекла. Кварцевое стекло можно резать только холодным способом твердосплавными ножами, напильником или на алмазном круге. Горячим способом кварцевое стекло не режется.

Кварцевые изделия шлифуют так же, как и изделия из обычного стекла, но значительно медленнее из-за большой твердости кварца. Кварцевые изделия не следует обогревать и отжигать. Нагретое до размягчения кварцевое стекло при быстром охлаждении, например водой, не трескается и не разрушается, поэтому неравномерная толщина стенок кварцевых изделий, наплывы на них практически не отражаются на качестве изделий. Спаивание металлов с кварцевым стеклом осуществляется значительно труднее, чем спаивание металлов с соответствующими марками химико-лабораторного стекла. Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) у кварцевого стекла очень мал α = 5,4·10 -7º С -1 , в то время как ТКЛР лабораторных стекол в десятки раз больше, чем у кварца и колеблется от 8,1· 10-7 у стекла AM -К до 33,5·10 -7º С -1 у стекла «Пирекс» (табл. 10).

Температурный коэффициент металлов, наиболее часто впаиваемых в стекло, соответственно равен 44,4·10 -7 у молибдена и 125,1·10 -7º С -1 у железа. Поэтому непосредственный спай стекла с кварцевым стеклом относится к числу несогласованных спаев и может быть получен при особых условиях. Кроме того, высокая температура размягчения (1400-1500°С) и большая вязкость размягченного кварцевого стекла создают дополнительные трудности получения спаев с металлами. Легче всего удаются спаи кварцевого стекла с вольфрамом и молибденом.

Для получения более или менее прочного спая металл, впаивают в виде ленты овального сечения толщиной в середине 0,1 мм и по краям 0,02 мм; спаивание производится в вакууме или в атмосфере, состоящей из смеси газов водорода и азота, на водородно-кислородной горелке, что предохраняет металл от окисления при температуре 1400-1500°С. Труднее, впаивается платина, температура плавления которой близка к температуре плавления кварца.

Согласованные спаи металлов с кварцевым стеклом можно получить с помощью ряда переходных стекол, обладающих температурным коэффициентом линейного расширения от 15,4·10 -7 до 48·10 -7º С -1 и более.

При впаивании молибдена в кварцевую трубку поступают следующим образом. Конец кварцевой трубки раскаляют до температуры 900°С и наваривают по ее торцовой окружности слой переходного стекла с наименьшим ТКЛР (стекло СП-1), горячий бортик разбортовывают разверткой. К слою наваривают ещё слой с несколько большим ТКЛР (стекло СП-2), затем третий слой (СП-3 или С25-1) и т. д., пока конечный наваренный слой не будет иметь термический коэффициент линейного расширения, близкий к ТКЛР впаиваемого металла. В этот наваренный крайний слой и впаивается металлическая проволочка или деталь (рис.94).

Этот комбинированный слой, хотя и обходится сравнительно дороже, чем «несогласованный», но он более прочен и устойчив.

Таблица 10. Химический состав (%) и термические свойства переходных стекол

Это материал, который получается в результате воздействия высоких температур на оксид кремния. От традиционного стекла его отличает аморфное состояние (нет точной температуры плавления), которое определяет основные свойства продукта. Невозможно найти конкретную точку плавления, а переход из твердого состояния в жидкое у кварцевого стекла происходит под воздействием высоких температур плавно, постепенно. Другое отличие - пропускать не только свет, но также ультрафиолет и инфракрасные лучи. Наука объясняет это особенностью пространственной структуры молекул SiO 2 и кислородной связкой между ними.

Как получают

Исходным сырьем служат:

• кварц каменного происхождения;
• горный хрусталь;
• кварцевый песок;
• SiO 2 (оксид кремния) от искусственного производства.

Для изготовления используют специальное оборудование, способное поддерживать температуру плавления выше 1500 градусов. А чтобы создать изделия из кварцевого стекла, необходимо иметь направленное пламя в 1800°C и больше. В цеху нужно поддерживать абсолютную чистоту, больше того - стерильность. Поскольку даже минимальное количество пыли или других частиц обязательно приведет к тому, что продукт потеряет свои лучшие свойства. К работе допускаются только специально обученные люди, прошедшие аттестацию. Весь инструментарий стеколодувов изготавливается из жаростойких материалов. Обычно используют гранит, вольфрам.

Процесс производства должен быть организован так, чтобы на выходе получить продукцию в соответствии с требованиями ГОСТ 22291-83. На конечный результат влияет не столько способ производства, сколько применение качественного сырья. Продукт может получиться совершенно прозрачным, если для его изготовления брали чистый горный хрусталь. Из другого сырья выходит стекло матовое или с наличием большого количества газовых пузырьков.

Помимо прозрачного и матового стекла производят еще цветное. Когда в процессе производства плавится основное сырье, к нему добавляют оксид какого-либо цветного металла. Производное железа дает синий цвет, а добавка свинца превращает в хрусталь.

Полезные качества материала

Основные преимущества можно объединить в три категории:

1. Тепловая. Материал весьма устойчив к температурам порядка 1200 градусов. Коэффициент температурного расширения у силикатного стекла в 13-15 раз выше, чем у обыкновенного. Этим объясняется его устойчивость в резким перепадам температур.
2. Химическая. Кварцевое стекло никак не реагирует на воздействие кислот и щелочей. Исключение составляют фосфорная и плавиковая кислоты. Но они начинают взаимодействовать только при температуре больше 300 градусов.
3. Оптическая. Продукт имеет слишком низкий коэффициент преломления. Этот показатель у простого стекла в 150 раз выше, чем у силикатного. Поэтому сквозь него безукоризненно проходит не только обычный свет, но также ультрафиолет и инфракрасные лучи.

Маркировка оптического стекла

Гост 15130-86 предлагает разделить силикатные стекла следующим образом:

• Серия 0 предполагает применение в обычных условиях.
• Серия 100 - обозначение для материала, способного работать при ионном излучении малой силы;
• Серия 200 - это стекло имеет свойства, выдерживающие интенсивное ионизирующее излучение.

Помимо этого, предлагается маркировка по величине способности пропускать ультрафиолет и инфракрасное излучение. Так:

• маркой КУ-1 обозначают изделия прозрачные, устойчивые к радиации;
• КУ-2 - прозрачное стекло в видимой части ультрафиолета, имеет слабое поглощение волн 170 -250 Нм;
• КВ - оптическое стекло этой марки отличает высокая однородность, прозрачность;
• КУВИ - нелюминисцирует, обладает высокой стойкостью к радиации.

Область использования

Благодаря своим свойствам силикатное стекло нашло применение в строительстве, из него делают лабораторную посуду, оптические приборы, детали электрообрудования. Материал применяют при изготовлении огнеупорных изделий. Также сырье незаменимо для изготовления стекла кварцевого смотрового. Оно необходимо для наблюдения за сложными технологическими процессами внутри установок, действующих под высокими температурами и давлением.

Однако основной сферой использования считается производство оптического волокна. Для его производства берут только высококачественный материал, так называемое оптическое кварцевое стекло. Однородное и совершенно прозрачное, пропускающее ультрафиолет. Сегодня этот материал используется практически повсеместно. Из него делают прочные оптические кабели для передачи данных на высоких скоростях, оптические линзы и призмы.

Матовое кварцевое стекло также востребовано. Его свойства и довольно низкая цена делают материал особенно применимым во многих сферах жизнедеятельности человека. Это осветительные приборы и окна для судов, самолетов и ракет. В нефтехимии, на высокотемпературных производствах материал ценят за его устойчивость к агрессивным средам.

Научные и промышленные лаборатории не могут нормально работать без прозрачной посуды из кварцевого стекла. Она нужна для проведения химических опытов с различными реагентами, в том числе агрессивными. Особенно востребованы трубки для замеров уровней различных жидкостей, хранения кислот и щелочей. Они применяются в электронагревательных приборах. Во всех случаях большое значение имеют свойства силикатного материала выдерживать высокие температурные режимы и стойкость к агрессии многих препаратов, а также способность пропуска ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Особенности производства позволяют выпускать не только промышленные и бытовые изделия для практических целей, но также декоративные предметы.