۱. مروری بر شیشه کوارتز
۱.۱ تعریف و تشکیل
شیشه کوارتز، که به نام شیشه سیلیس ذوبشده نیز شناخته میشود، یک ماده شیشهای غیرآلی با درجه خلوص بسیار بالا و با خواص فیزیکی و شیمیایی عالی است. این ماده با استفاده از بلور کوارتز با درجه خلوص بالا یا مواد اولیه سیلیس مصنوعی بهعنوان پایه، از طریق فرآیندهای ذوب در دمای فوقبالا، پاکسازی، شکلدهی و عملیات آنیلینگ دقیق تولید میشود.
برخلاف شیشه معمولی، شیشه کوارتز از فناوری ذوب در دمای فوقبالای ۲۰۰۰ تا ۲۳۰۰ درجه سانتیگراد استفاده میکند تا مواد اولیه سیلیس را بهطور کامل ذوب کرده و ساختار بلوری داخلی را از بین ببرد و حالت شیشهای همگن و بیبلور ایجاد نماید. پس از انجام دقیق فرآیندهای خنکسازی و آزادسازی تنش، این ماده دارای خواص ساختاری پایدار میشود. مواد اولیه و محصولات نهایی باکیفیت شیشه کوارتز عمدتاً در مناطق صنعتی چین، ایالات متحده آمریکا، آلمان و ژاپن تولید و پردازش میشوند و در زمینههای صنعتی پیشرفته و ساخت دقیق در سراسر جهان کاربرد دارند.
۱٫۲ طبقهبندی و استانداردهای درجهبندی
بر اساس فرآیندهای تولید و انواع مواد اولیه، شیشه کوارتز عمدتاً به دو دسته تقسیم میشود: شیشه کوارتز ذوبشده طبیعی و شیشه کوارتز ذوبشده مصنوعی .
شیشه کوارتز ذوبشده طبیعی مستقیماً از شن کوارتز طبیعی با درجه خلوص بالا ذوب میشود و دارای عملکرد پایدار و مزیت هزینهای برای کاربردهای صنعتی معمولی است. شیشه کوارتز ذوبشده مصنوعی از طریق هیدرولیز گازی ترکیبات سیلیکونی با درجه خلوص بالا تولید میشود و دارای محتوای ناخالصی بسیار پایین و عملکرد نوری عالی است.
بالاترین سطح درجه نوری، درجه نیمههادی و درجه پزشکی شیشه کوارتز تحت فرآیند پالایش چندمرحلهای و عملیات آنیلینگ با دقت بالا قرار میگیرد و با استانداردهای صنعت نیمههادی SEMI، FDA و مشخصات ایمنی صنعتی اتحادیه اروپا مطابقت دارد. با خلوص بسیار بالا، مقاومت فوقالعاده در برابر دما و پایداری نوری برجسته، شیشه کوارتز ماده پیشرفته جدیدی است که جایگزینی ندارد و کاربردهای پیشرفته آن بهسرعت گسترش مییابد.
۲. ویژگیهای اصلی شیشه کوارتز
۲.۱ ویژگیهای ساختار فیزیکی
برتری فیزیکی شیشه کوارتز از ساختار شبکهای همگن و آمورف سیلیس آن ناشی میشود ساختار شبکهای همگن و آمورف سیلیس آن برگزار شد، با ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین بهعنوان ویژگی فیزیکی اصلی آن.
این ماده دارای فشردگی ساختاری عالی و پایداری ابعادی برجسته ، با ضریب انبساط حرارتی به اندازهٔ ۵٫۰×۱۰⁻⁷ درجه سانتیگراد، که تنها یک بیستم شیشه بوروسیلیکات معمولی است. این ماده میتواند تغییرات شدید دماهای سرد و گرم را بدون ترکخوردن یا تغییر شکل تحمل کند. این ماده دارای سختی بالا، تختبودن عالی و عبور نور برجسته ، که امکان پردازش فوقالعاده دقیق را برای تأمین نیازهای قطعاتی با دقت میکرونی و حتی نانومتری فراهم میکند.
تنها محدودیتهای فیزیکی آن، سختی بالا که باعث دشواری در برش و پردازش میشود و شکنندگی پایین است که میتوان آن را از طریق سنگزنی دقیق و عملیات تقویت ویژه بهطور مؤثری بهبود بخشید.
۲.۲ خواص شیمیایی
ترکیب شیمیایی اصلی شیشه کوارتز با کیفیت بالا سیلیس آمورف (SiO₂) با خلوص ۹۹٫۹۵٪ تا ۹۹٫۹۹۹۹٪ ، با ناخالصیهای ردیابیشدهای مانند Al₂O₃، Fe₂O₃ و یونهای فلزی که بهدقت در سطح پیکوگرم بر گرم (ppb) برای درجات بالارده کنترل میشوند.
دارای ویژگیهایی از جمله بیواکنشی شیمیایی بسیار قوی است ، مقاوم در برابر خوردگی تقریباً تمام اسیدها، بازها و حلالهای آلی در شرایط عادی و دمای بالا، بهطوریکه تنها اسید هیدروفلوئوریک و اسید فسفریک غلیظ داغ قادر به ایجاد خوردگی هستند. در عین حال، شیشه کوارتز بیخطر، غیرسمی و بدون رسوبگذاری است ، که کاربرد ایمن و بدون آلودگی آن را در زمینههای نیمههادی، پزشکی، شیمیایی و فرآوری مواد غذایی تضمین میکند.
۲.۳ عملکرد حرارتی
شیشه کوارتز دارای مقاومت فوقالعاده در برابر دماهای شدید است و نقطه نرمشدن آن °C ۱۷۳۰ است و یک دمای کار طولانیمدت پیوستهاش °C ۱۲۰۰ است . این شیشه دارای پایداری حرارتی عالی در دمای بالا و هدایت حرارتی بسیار پایین است و ویژگیهای فیزیکی و نوری آن در شرایط کار طولانیمدت در دمای بالا بدون تغییر شکل، حبابزدن یا تبلور، پایدار باقی میماند.
مقاومت عالی آن در برابر ضربه حرارتی، آن را به یک ماده قابل اعتماد تبدیل میکند ماده عایق حرارتی با دمای بالا، تثبیتکننده حرارتی و ضدسوزش در سناریوهای صنعتی شدید با دمای بالا بهطور گسترده استفاده میشود.
۳. مزایای شیشه کوارتز
۳.۱ عملکرد انتقال نور در طیف بسیار گسترده
انتقال نور بالا در طیف کامل مزیت رقابتی اصلی شیشه کوارتز است. برخلاف شیشههای نوری معمولی، این شیشه انتقال نور بالا و پایداری را در طیفهای فوقبنفش عمیق، نور مرئی و مادون قرمز میانی فراهم میکند .
این شیشه میتواند منابع نور خاص فرابنفش و مادون قرمز را بدون اعوجاج طیفی بهطور کارآمد منتقل کند و دقت و پایداری بالای سیستمهای نوری را تضمین میکند. عملکرد نوری جامع آن بسیار برتر از شیشههای معمولی و مواد نوری پلیمری است و نیازهای سختگیرانه صنایع نوری دقیق و فوتونیکی را برآورده میسازد.
۳.۲ پایداری شیمیایی فوقالعاده و خلوص بسیار بالا
با استفاده از بیواکنشی شیمیایی فوقالعاده بالا و محتوای ناخالصی بسیار پایین شیشه کوارتز در محیطهای دمای بالا و خورنده، واکنش شیمیایی ایجاد نمیکند یا یونهای فلزی را ترکیب نمیکند. این ماده نیازی به پوشش ضدخوردگی یا اقدامات محافظتی کمکی ندارد و باعث آلودگی ثانویه برای ابزارهای دقیق، محلولهای شیمیایی و وافرهای نیمههادی نمیشود و استانداردهای تولید صنعتی با خلوص بسیار بالا را برآورده میکند.
۳.۳ مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر ضربه حرارتی
ویژگیهای شیشه کوارتز مقاومت بسیار بالا در برابر دما و مقاومت در برابر تغییرات سریع دما این ماده تحت عملیات طولانیمدت در دمای بالا و همچنین تناوب ناگهانی سرد و گرم، تغییر شکل یا آسیب نمیبیند. این ویژگی بهطور مؤثر پایداری دمایی بالا و عمر مفید تجهیزات صنعتی و دستگاههای نوری را افزایش میدهد و عملکرد مادی با قابلیت اطمینان بالا را در محیطهای کاری اکسترمم ممکن میسازد.
۳.۴ دوام بالا و عملکرد هزینه-کارایی مطلوب
بهعنوان یک ماده عملکردی معدنی با کارایی بالا، شیشه کوارتز دارای طول عمر بسیار طولانی، عدم پیرشدگی و عدم تخریب است , بدون نیاز به تعویض و نگهداری مکرر. اگرچه فناوری پردازش آن پیچیده است، اما هزینه جامع بلندمدت استفاده از آن بسیار پایینتر از آلیاژهای ویژه و مواد پلیمری پیشرفته است.
این ماده دارای ویژگیهای دوستدار محیط زیست، عدم تابش و قابلیت بازیافت است و کاملاً با الزامات تولید دقیق صنایع پیشرفته و توسعه سبز و پایدار سازگان دارد.
۴. کاربردهای خاص صنعتی شیشه کوارتز
۴.۱ صنعت نیمههادیها و اپتوالکترونیک
بهعنوان یک ماده کمکی با درجه خلوص بسیار بالا برای نیمههادیها، شیشه کوارتز بهطور گستردهای در فرورههای پخش وافر، محفظههای اچینگ و اجزای نوری لیتوگرافی استفاده میشود. خلوص فوقالعاده بالا و عملکرد نوری پایدار آن بهطور مؤثری از آلودگی وافر و انحراف نوری جلوگیری میکند و تولید تراشههای با دقت بالا را پشتیبانی مینماید.
۴.۲ صنعت شیمیایی و آزمایشگاهی
با توجه به مقاومت بالای آن در برابر خوردگی و تحمل دمای بالا، از آن ساخته میشود تیغههای کوارتز، ظروف واکنش، لولههای خنککننده و ابزارهای آزمایشی مناسب برای سناریوهای واکنش شیمیایی در دمای بالا، تصفیه محلولها و آزمونهای دقیق آزمایشگاهی.
۴٫۳ صنعت نوری و روشنایی
با عبور عالی از اشعههای فرابنفش و مادون قرمز، شیشه کوارتز در ساخت لولههای لامپهای فرابنفش، عدسیهای گرمایی مادون قرمز، عدسیهای نوری دقیق و پنجرههای دستگاههای لیزری استفاده میشود. این ماده هسته اصلی و ضروری برای لامپهای ضدعفونی پزشکی، تجهیزات گرمایی صنعتی و دستگاههای ارتباط نوری است.
۴٫۴ تولید صنعتی در دمای بالا
این ماده به صورت لولهها، صفحات و قطعات ساختاری با اشکال خاص کوارتز پردازش میشود و در عایقبندی کورههای صنعتی، پنجرههای مشاهده در دمای بالا و لوازم جانبی مقاوم در برابر حرارت به کار میرود. این کار بهطور مؤثر ایمنی در دمای بالا و پایداری عملیاتی خطوط تولید صنعتی را بهبود میبخشد.
۴٫۵ صنعت پزشکی و حفاظت از محیط زیست
شیشه کوارتز پزشکی با درجه خلوص بالا غیرسمی و استریل است و بهطور گستردهای در تجهیزات ضدعفونیکننده فرابنفش پزشکی، ظروف واکنشهای زیستی و دستگاههای استریلسازی و تصفیه آب استفاده میشود . عملکرد پایدار و ایمن آن، استانداردهای سختگیرانه بهداشت پزشکی و حفاظت از محیط زیست را برآورده میکند.
مشخصات فنی لوله شیشه کوارتز شفاف
| محتوای ملک |
واحد |
شاخص املاک |
| درصد خلوص SIO2 |
% |
99.95 |
| تراکم |
k گرم بر سانتیمتر مکعب |
2.2×103 |
| قدرت |
KHN 100 |
570 |
| استحکام کششی |
پاسکال (N/ ㎡) |
4.8×107 |
| مقاومت فشرده شدن |
Pa |
>1.1×109 |
| ضریب انبساط حرارتی |
cm/cm℃ |
5.5×10-7 |
| هدایت حرارتی |
وات/متر℃ |
1.4 |
| گرمای ویژه |
ژول/کیلوگرم℃ |
660 |
| نقطه نرم شدن |
℃ |
1630 |
| حداکثر دمای کاری پیوسته |
℃ |
1100 |
EN
