Mo-Sci Blog

kvarts, smeltet kvarts, kvartsglas, silica, smeltet silica… listen over udtryk, der bruges til at beskrive forskellige silicabaserede materialer, er lang, forvirrende og ofte misforstået. I denne artikel ser vi nærmere på de unikke egenskaber ved kvarts og smeltet silica (og et par relaterede materialer) og rydder forvirringen omkring disse udtryk.

kvarts vs. Silica

den første vigtige ting at vide om kvarts og smeltet silica er, at de begge primært består af den samme ingrediens: silica, også kendt som silica. Silica har den kemiske formel SiO2 og er den primære bestanddel af de fleste typer glas. Den vigtigste form, hvori silica findes i naturen, er mineralkvarts: et hårdt, gennemsigtigt krystallinsk materiale, der udgør en mærkbar brøkdel af jordskorpen. Mens kvarts primært består af silica, indeholder det også naturligt forekommende urenheder i forskellige proportioner afhængigt af dets geologiske Oprindelse.

så silica er en specifik kemisk forbindelse, silica, med den kemiske formel SiO2. På den anden side er kvarts et naturligt forekommende krystallinsk mineral, der primært består af silica, men indeholder nogle urenheder.

krystallinske og amorfe faste stoffer

for fuldt ud at forstå forskellene mellem forskellige silicabaserede materialer skal vi først gennemgå de grundlæggende forskelle mellem krystallinske faste stoffer og amorfe faste stoffer.

forskellen kommer ned på, hvordan atomer er arrangeret inde i de faste stoffer. I et krystallinsk fast stof er de bestanddele, der er anbragt i regelmæssige, gentagne mønstre kendt som krystalgitter. Kvarts er et eksempel på et krystallinsk silicabaseret materiale: silicium-og iltatomer er arrangeret i en veldefineret ordnet struktur.

i et amorft fast stof har atomerne imidlertid ingen langtrækkende rækkefølge. Det tilsyneladende tilfældige arrangement af molekyler i et amorft fast stof ligner det af en væske, bortset fra at de er fastgjort på plads og ikke bevæger sig rundt. De fleste materialer, som vi tænker på som “glas”, er amorfe faste stoffer: faktisk kan ethvert materiale med en amorf atomstruktur beskrives som “glasagtig”.

om atomer er arrangeret på en ordnet måde eller orienteret tilfældigt kan dybt påvirke et materiales egenskaber. Et af de mest slående eksempler er glasovergangseffekten udstillet af amorfe faste stoffer. Uden for verden af silica eller andre oksidbaserede materialer anvendes uordnede” glasagtige ” metaller ofte til deres usædvanlige mekaniske egenskaber sammenlignet med konventionelle metaller.1

Silicabaserede materialer-som kvarts – kan karakteriseres både med hensyn til deres kemiske sammensætning og om de er krystallinske eller amorfe.

definition af Silicabaserede materialer

nu hvor vi har gennemgået nogle vigtige grundlæggende elementer, kan vi definere forskellene mellem kvarts, smeltet silica og andre silicabaserede materialer.

kvarts

som tidligere nævnt er kvarts den vigtigste form, hvor silica forekommer i naturen. Kvarts er et krystallinsk fast stof; så selvom det kan ligne glas både med hensyn til dets udseende og dets kemiske sammensætning, har det meget forskellige egenskaber fra glas.

industrielle anvendelser af kvarts (det vil sige det krystallinske mineral) er begrænsede, men inkluderer kvartskrystaloscillatorer i Elektroniske Systemer – mest kendt i armbåndsure.

måske forvirrende kan “syntetisk kvarts” fremstilles til industrielle kvartsapplikationer. Dette ville måske blive bedre omtalt som krystallinsk silica, men omtales ofte blot som “kvarts.”

smeltet Silica og smeltet kvarts

her henviser ordet” smeltet ” til et behandlingstrin: smeltet silica er nominelt rent silica, der er smeltet og afkølet til dannelse af et glasagtigt, amorft fast stof. Smeltet silica ligner andre briller på mange måder; men det indeholder ingen tilsætningsstoffer. Smeltet silica er et specialmateriale med en række højtydende applikationer.

udtrykkene “smeltet silica” og “smeltet kvarts” bruges ofte om hverandre. Mere præcist henviser” smeltet kvarts ” til et amorft fast stof dannet ved smeltning af naturligt forekommende kvarts. Så mens smeltet silica tilsyneladende er ren SiO2, indeholder smeltet kvarts urenheder afhængigt af det anvendte kvarts.

Silicaglas og kvartsglas

disse udtryk bruges typisk i en mere generisk forstand og kan normalt betragtes som udskiftelige. Begge disse udtryk kunne enten henvise til smeltet silica eller smeltet kvarts.

anvendelser af smeltet Silica

mens smeltet silica kemisk ligner kvarts, giver dets amorfe struktur det en række forskellige og meget ønskelige termiske, mekaniske og elektriske egenskaber.

briller indeholder almindeligvis tilsætningsstoffer som alkali, jordalkali eller andre iltstoffer for at sænke glasforarbejdningstemperaturen (smeltningstemperaturen) og for at forbedre kemiske og fysiske egenskaber – men smeltet silica er meget rent. Derfor har den højere arbejdstemperaturer, men tilbyder forskellige egenskaber fra andre briller.

smeltet silica har en meget lav varmeudvidelseskoefficient, hvilket betyder, at den ikke udvides eller sammentrækkes meget, når den opvarmes eller afkøles. Som et resultat er smeltet silica meget modstandsdygtig over for termisk stød og kan modstå meget hurtig opvarmning eller afkøling uden revner. De termiske egenskaber ved smeltet silica gør det meget værdifuldt for industrielle komponenter med høj temperatur, såsom digler, bakker og både til stålfremstilling og glasfremstilling.2

smeltet silica er gennemsigtigt til et meget bredt spektrum af lys, der strækker sig fra dyb ultraviolet til langt infrarød. Dette gør det til en nøglekomponent i optiske fibre såvel som i en række linser, spejle og anden UV – eller IR-transmitterende optik.3,4

smeltet silica er også ekstremt kemisk inert og resistent over for de fleste syrer (med den bemærkelsesværdige undtagelse af flussyre). Denne kemiske inertitet giver smeltet silica til biomedicinske anvendelser, ofte i form af porøs silica.

kombinationen af termisk stabilitet, gennemsigtighed og styrke gør smeltet silica til en stærk kandidat til nye og udviklende applikationer såsom fotolitografisubstrater, ætsede mikrobølgekredsløb og som et beskyttende lag i halvlederindretninger.

Custom Glass Solutions fra Mo-Sci

Mo-Sci udvikler og fremstiller en række højtydende briller til tekniske anvendelser. For at finde ud af mere om vores smeltede silica og porøse silica produkter, eller for at diskutere en brugerdefineret glas ansøgning, komme i kontakt med et medlem af vores team i dag.

referencer og yderligere læsning

1. glasagtig metal indstillet til rivaliserende stål : Naturnyheder. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. valg af ildfast materiale til stålfremstilling. (John Viley & Sønner, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. A. & Yaacob, M. H. Kulstofnanorør og Grafenoksidapplikationer i Optokemiske sensorer. i syntese, teknologi og anvendelser af Carbon nanomaterialer 223-246 (Elsevier, 2019). doi: 10.1016 / B978-0-12-815757-2.00010-3.
4. Vang, S., Jhou, C., Jang, Y. & Ru, H. Dyb ætsede high-density fused-silica transmission riste med høj effektivitet ved en bølgelængde på 1550 nm. Appl. Vælge. 45, 2567 (2006).