١. نظرة عامة على زجاج الكوارتز
١.١ التعريف وعملية التكوّن
زجاج الكوارتز، والمعروف أيضًا باسم زجاج السيليكا المُنصهر، هو مادة زجاجية غير عضوية خاصة عالية النقاء تتميّز بخصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة بشكل شامل. ويُصنع باستخدام بلورات كوارتز عالية النقاء أو مواد خام سيليكا صناعية كأساس، ثم يُعالَج عبر عمليات انصهار عند درجات حرارة فائقة الارتفاع، وتنقية، وتشكيل، وتبريد دقيق.
وخلافًا للزجاج العادي، فإن زجاج الكوارتز يستخدم تقنية الانصهار عند درجات حرارة فائقة الارتفاع تتراوح بين ٢٠٠٠ و٢٣٠٠ درجة مئوية لإذابة مواد السيليكا الخام تمامًا والتخلّص من الهياكل البلورية الداخلية، مما يؤدي إلى تشكيل حالة زجاجية غير متبلورة متجانسة. وبعد الخضوع لمعالجة دقيقة للتبريد وإزالة الإجهادات، يكتسب هذا المادة خصائص هيكلية مستقرة. وتُنتج وتُعالَج المواد الأولية عالية الجودة من زجاج الكوارتز والمنتجات النهائية بشكل رئيسي في المناطق الصناعية التي تشمل الصين والولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا واليابان، لتلبية احتياجات القطاعات الصناعية المتقدمة والتصنيع الدقيق على مستوى العالم.
١.٢ التصنيف ومعايير الدرجات
استنادًا إلى عمليات الإنتاج وأنواع المواد الخام، ينقسم زجاج الكوارتز أساسًا إلى فئتين رئيسيتين: زجاج كوارتز مُنصهر طبيعي و زجاج كوارتز مُنصهر صناعي .
يُنتج زجاج الكوارتز المُنصهر الطبيعي عن طريق إذابة رمل الكوارتز الطبيعي عالي النقاء مباشرةً، ويتميّز بأداءٍ مستقر ومزايا تكلفة مناسبة للتطبيقات الصناعية التقليدية. أما زجاج الكوارتز المُنصهر الصناعي فيُنتَج عبر عملية التحلل المائي الغازي لمركبات السيليكون عالية النقاء، ويتميّز بمحتوى شوائب منخفض جدًّا وأداء بصري متفوق.
راقية من الدرجة البصرية، ودرجة أشباه الموصلات، ودرجة الاستخدام الطبي ويخضع زجاج الكوارتز لعمليات تنقية متعددة المراحل ومعالجة تبريد دقيقة جدًّا، وهو متوافق مع معايير سيمي (SEMI) الخاصة بصناعة أشباه الموصلات، ومع مواصفات إدارة الأغذية والعقاقير (FDA) ومواصفات السلامة الصناعية الأوروبية . وبفضل نقاوته الفائقة، ومقاومته الاستثنائية لدرجات الحرارة العالية، واستقراره البصري الممتاز، يُعَدُّ زجاج الكوارتز مادةً جديدةً متقدمةً لا غنى عنها، وتتوسّع نطاقات تطبيقاتها الرفيعة المستوى بسرعة.
٢. الخصائص الأساسية لزجاج الكوارتز
٢.١ الخصائص الهيكلية الفيزيائية
تَنْبُعُ التَّفَوُّقُ الْجَسَدِيُّ لِزُجَاجِ الْكْوَارْتْزِ مِنْ هَيْكَلِهِ الشَّبَكِيِّ الزُّجَاجِيِّ الْغَيْرِ بَلُّورِيِّ الْمُتَّسِقِ المُكوَّنِ مِنْ السِّيلِيكَا ، مع معامل استطالة حرارية منخفض جدًّا بِاعْتِبَارِهِ السِّمَةَ الْجَسَدِيَّةَ الْأَسَاسِيَّةَ لَهُ.
ويتمتّع الْكَثَافَةُ الْهَيْكَلِيَّةُ الْمُمتازَةُ وَالثَّبَاتُ الأَبْعَادِيُّ الْعَالِي ، وَمُعَامِلُ التَّمَدُّدِ الْحَرَارِيِّ لَهُ يَصِلُ إِلَى ٥٫٠×١٠⁻⁷/°م، أَيْ مَا يُعَادِلُ خُمْسَ عَشَرَ جُزْءًا مِنْ أَلْفِ جُزْءٍ فَقَطْ مِنْ زُجَاجِ البُورُوسِلِيكَاتِ الْعَادِيِّ. وَيَقْدِرُ عَلَى التَّحَمُّلِ الْقَوِيِّ لِلتَّغَيُّرَاتِ الْحَادَّةِ فِي الدَّرَجَاتِ الْحَرَارِيَّةِ مَا بَيْنَ الْبَرْدِ وَالْحَرَارَةِ دُونَ أَنْ يَتَشَقَّقَ أَوْ يَتَغَيَّرَ شَكْلُهُ. وَيَتَمَيَّزُ هَذَا الْمَادَّةُ بِ الْقُوَّةِ الْعَالِيَةِ، وَالْمُسْتَوَى الْعَالِيِّ، وَانْتِقَالِ الضَّوْءِ الْمُمتازِ ، مَا يُمَكِّنُ مِنْ التَّشْغِيلِ الدَّقِيقِ جِدًّا لِتَلْبِيَةِ مَتَطَلَّبَاتِ الْمُكَوِّنَاتِ الدَّقِيقَةِ الْجِدَّاً الَّتِي تَتَرَاوَحُ دَقَّتُهَا بَيْنَ الْمِيكْرُونَاتِ وَحَتَّى النَّانُومِتْرَاتِ.
وَالْحُدُودُ الْجَسَدِيَّةُ الْوَحِيدَةُ لَهُ هِيَ الْقُوَّةُ الْعَالِيَةُ الَّتِي تُصْعِبُ قَصَّهُ وَتَشْغِيلَهُ، وَالْهَشَاشَةُ الْمُنْخَفِضَةُ، وَالَّتِي يُمْكِنُ تَحْسِينُهَا بِكَفَاءَةٍ عَنْ طَرِيقِ الطَّحْنِ الدَّقِيقِ وَالْمُعَالَجَةِ الْخَاصَّةِ بِالتَّلْدِينِ.
٢.٢ الخصائص الكيميائية
المُرَكِّبُ الْكِيمْيَائِيُّ الرَّئِيسِيُّ لِزُجَاجِ الْكْوَارْتْزِ الْعَالِيِّ الْجَوْدَةِ هُوَ ثُنَائِي أُكْسِيدِ السِّيلِيكُونِ غَيْرِ الْبَلُّورِيِّ (SiO₂) (٩٩٫٩٥٪–٩٩٫٩٩٩٩٪) مع شوائب أثرية مثل أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وأكسيد الحديديك (Fe₂O₃) وأيونات المعادن التي تُضبط بدقة عند مستوى جزء في البليون (ppb) للدرجات الرفيعة الجودة.
وتتميز الوحدة بـ بخامل كيميائي قوي جدًّا مقاوم للتآكل الناجم عن جميع الأحماض والقلويات والمذيبات العضوية تقريبًا في الظروف العادية وعند درجات الحرارة المرتفعة، باستثناء حمض الهيدروفلوريك وحمض الفوسفوريك المركز الساخن اللذين قد يتسببان في التآكل. وفي الوقت نفسه، فإن زجاج الكوارتز هو غير سام، غير ضار، وغير مُرسب ما يضمن تطبيقه الآمن والخالي من التلوث في مجالات أشباه الموصلات والطب والصناعات الكيميائية ومعالجة الأغذية.
٢.٣ الأداء الحراري
يتميّز زجاج الكوارتز بمقاومة استثنائية لدرجات الحرارة القصوى، حيث تبلغ نقطة الليونة ١٧٣٠°م و درجة حرارة التشغيل المستمر طويلة الأمد ١٢٠٠°م ويتمتّع بثبات حراري ممتاز عند درجات الحرارة المرتفعة وتوصيل حراري منخفض جدًّا، ويحافظ على خصائصه الفيزيائية والبصرية ثابتة دون تشوه أو تكوّن فقاعات أو بلورات في ظل ظروف التشغيل الحرارية المرتفعة لفترات طويلة.
ومقاومته الممتازة للصدمة الحرارية تجعله موثوقًا مادة عازلة للحرارة عند درجات الحرارة العالية، ومستقرة حراريًّا، ووقائية من الحروق تُستخدم على نطاق واسع في السيناريوهات الصناعية القصوى ذات درجات الحرارة العالية.
٣. مزايا زجاج الكوارتز
٣.١ أداء انتقال الضوء عبر طيف واسع جدًّا
نسبة عالية جدًّا لانتقال الضوء عبر الطيف الكامل تُشكِّل هذه الميزة الميزة التنافسية الأساسية لزجاج الكوارتز. وعلى عكس الزجاج البصري التقليدي، فإنه يحقِّق انتقال ضوء عالٍ ومستقرٍ يشمل الأشعة فوق البنفسجية العميقة، والضوء المرئي، وحزم الأشعة تحت الحمراء المتوسطة .
ويمكنه نقل مصادر الضوء فوق البنفسجي والتحت أحمر الخاصة بكفاءةٍ عاليةٍ دون أي تشويه طيفي، ما يضمن دقةً واستقرارًا عاليين للأنظمة البصرية. وأداؤه البصري الشامل يفوق إلى حدٍ كبير أداء الزجاج العادي والمواد البصرية البوليمرية، ليلبِّي المتطلبات الصارمة لصناعات البصريات الدقيقة والإلكترونيات الضوئية.
٣.٢ استقرار كيميائي فائق والنظافة العالية جدًّا
وبفضل خاملية كيميائية فائقة الارتفاع ومحتوى شوائب منخفض للغاية يُعد زجاج الكوارتز مادةً لا تتفاعل كيميائيًّا ولا تُرسب أيونات المعادن في البيئات ذات الحرارة العالية والقوية التآكلية. ولا يحتاج إلى طبقات حماية مقاومة للتآكل أو إجراءات وقائية مساعدة، كما أنه لا يسبب تلوثًا ثانويًّا للأجهزة الدقيقة والمحاليل الكيميائية وألواح أشباه الموصلات، مما يجعله متوافقًا مع معايير الإنتاج الصناعي فائقة النقاء.
٣.٣ مقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة الصدمة الحرارية
خصائص زجاج الكوارتز مقاومة استثنائية لدرجات الحرارة العالية وقدرة عالية على تحمل التغيرات المفاجئة في درجة الحرارة فهو لا يتشوّه ولا يتلف أثناء التشغيل طويل الأمد عند درجات الحرارة العالية أو عند التناوب الفجائي بين البرودة والحرارة. وبذلك يحسّن بشكل فعّال من استقرار الأجهزة الصناعية والأجهزة البصرية عند درجات الحرارة العالية، ويطيل عمرها الافتراضي، ما يحقّق أداءً ماديًّا عالي الموثوقية في البيئات التشغيلية القاسية.
٣.٤ متانة عالية وكفاءة اقتصادية ممتازة
وبوصفه مادة وظيفية غير عضوية عالية الأداء، يتمتّع زجاج الكوارتز بـ عمر افتراضي طويل جدًّا، دون أي تقدّم في العمر أو تدهور بدون الحاجة إلى الاستبدال والصيانة المتكررة. وعلى الرغم من تطور تكنولوجيا معالجته، فإن تكلفة استخدامه الشاملة على المدى الطويل أقل بكثير من تكلفة السبائك الخاصة والبوليمرات عالية الأداء.
يتميّز بالصداقة مع البيئة، وخِلوّه من الإشعاع، وإمكانية إعادة تدويره، ما يجعله مناسبًا تمامًا لمتطلبات التصنيع الدقيق الصناعي عالي الأداء والتنمية الخضراء المستدامة.
٤. التطبيقات الخاصة بالصناعة لزجاج الكوارتز
٤.١ صناعة أشباه الموصلات والإلكترونيات الضوئية
وبوصفه مادة مساعدة عالية النقاء أساسية في مجال أشباه الموصلات، يُستخدم زجاج الكوارتز على نطاق واسع في أفران انتشار الرقائق، وأجنحة التآكل، ومكونات العدسات الضوئية في عمليات التصنيع بالحفر الضوئي . وتضمن نقاوته الفائقة وأداؤه البصري الثابت تجنّب تلوث الرقائق والانحرافات البصرية، مما يدعم تصنيع الرقائق الإلكترونية بدقة عالية.
٤.٢ الصناعة الكيميائية وصناعة المختبرات
وبفضل مقاومته القوية للتآكل وتحمله درجات الحرارة المرتفعة، يُصنع منه أوعية كوارتز، وأوعية تفاعل، وأنابيب مكثفة وأدوات تجريبية مناسبة لعمليات التفاعل الكيميائي عند درجات الحرارة العالية، وتنقية المحاليل، وحالات الاختبارات المخبرية الدقيقة.
4.3 صناعة البصريات والإضاءة
وبفضل انتقاله الممتاز للأمواج فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، يُستخدم زجاج الكوارتز في أنابيب مصابيح الأشعة فوق البنفسجية، وعدسات التسخين بالأشعة تحت الحمراء، والعدسات البصرية الدقيقة، ونوافذ أجهزة الليزر وهو مادة أساسية لا غنى عنها لمصابيح التعقيم الطبية، ومعدات التسخين الصناعية، وأجهزة الاتصالات البصرية.
4.4 التصنيع الصناعي عالي الحرارة
بعد معالجته إلى أنابيب كوارتز ولوحات كوارتز وأجزاء هيكلية ذات أشكال خاصة، يُستخدم في عزل أفران الصناعة، ونوافذ المراقبة عالية الحرارة، والملحقات الهيكلية المقاومة للحرارة. وبذلك يحسّن بشكل فعّال من سلامة خطوط الإنتاج الصناعي عند درجات الحرارة المرتفعة واستقرار تشغيلها.
4.5 الصناعات الطبية وحماية البيئة
يُستخدم زجاج الكوارتز عالي النقاء المخصص للطب، والذي لا يحتوي على مواد سامة ويتميز بالعقم، على نطاق واسع في أجهزة التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية الطبية، وأوعية التفاعل البيولوجي، وأجهزة تعقيم وتنقية المياه . وتتميّز أداؤه بالثبات والسلامة، ما يجعله يلبّي المعايير الصارمة الخاصة بالصحة الطبية وحماية البيئة.
المواصفات الفنية لأنبوب زجاج الكوارتز الشفاف
| محتوى الخواص |
الوحدة |
مؤشر الخواص |
| نقاء SIO2 |
% |
99.95 |
| الكثافة |
ك ج/سم³ |
2.2×103 |
| القوة |
KHN 100 |
570 |
| الحد الأقصى للشد |
با(ن/ ㎡) |
4.8×107 |
| قوة الضغط |
Pa |
>1.1×109 |
| معامل التمدد الحراري |
سم/سم℃ |
5.5×10-7 |
| التوصيل الحراري |
واط/م℃ |
1.4 |
| الحرارة النوعية |
ج/كغ℃ |
660 |
| نقطة التليين |
℃ |
1630 |
| درجة الحرارة القصوى المستمرة التشغيلية |
℃ |
1100 |
EN
