Mo-Sci Blog

kvartsi, sulatettu kvartsi, kvartsilasi, piidioksidi, sulatettu piidioksidi … luettelo termeistä, joita käytetään kuvaamaan erilaisia piidioksidipohjaisia materiaaleja, on pitkä, sekava ja usein väärinymmärretty. Tässä artikkelissa tarkastelemme kvartsin ja sulatetun piidioksidin (ja muutaman siihen liittyvän materiaalin) ainutlaatuisia ominaisuuksia ja selvitämme näihin termeihin liittyvän sekaannuksen.

kvartsi vs. Piidioksidi

ensimmäinen tärkeä tieto kvartsista ja sulatetusta piidioksidista on, että molemmat koostuvat pääasiassa samasta ainesosasta: piidioksidista, joka tunnetaan myös nimellä piidioksidi. Piidioksidin kemiallinen kaava on SiO2 ja se on useimpien lasityyppien ensisijainen ainesosa. Tärkein muoto, jossa piidioksidia esiintyy luonnossa, on mineraalinen kvartsi: Kova, läpinäkyvä kiteinen aine, joka muodostaa merkittävän osan maankuoresta. Vaikka kvartsi koostuu pääasiassa piidioksidista, se sisältää myös luonnossa esiintyviä epäpuhtauksia eri suhteissa riippuen sen geologisesta alkuperästä.

joten piidioksidi on spesifinen kemiallinen yhdiste, piidioksidi, jonka kemiallinen kaava on SiO2. Toisaalta kvartsi on luonnossa esiintyvä kiteinen mineraali, joka koostuu pääasiassa piidioksidista, mutta sisältää joitakin epäpuhtauksia.

kiteiset ja amorfiset kiinteät aineet

ymmärtääksemme täysin eri piidioksidipohjaisten materiaalien väliset erot meidän on ensin tarkasteltava kiteisten kiintoaineiden ja amorfisten kiintoaineiden perustavanlaatuisia eroja.

ero tulee siitä, miten atomit on järjestetty kiinteiden aineiden sisälle. Kiteisessä kiinteässä aineessa sen atomit ovat järjestyneet säännöllisiksi, toistuviksi kuvioiksi, joita kutsutaan kiderasteiksi. Kvartsi on esimerkki kiteisestä piidioksidipohjaisesta materiaalista: pii-ja happiatomit ovat järjestäytyneet hyvin määriteltyyn järjestysrakenteeseen.

amorfisessa kiinteässä aineessa atomeilla ei kuitenkaan ole pitkän kantaman järjestystä. Näennäisen sattumanvarainen molekyylien järjestely amorfisessa kiinteässä aineessa muistuttaa nesteen rakennetta, paitsi että ne ovat paikoillaan eivätkä liiku. Useimmat materiaalit, joita pidämme “lasina”, ovat amorfisia kiinteitä aineita.: itse asiassa mikä tahansa materiaali, jolla on amorfinen atomirakenne, voidaan kuvata “lasimaiseksi”.

se, ovatko atomit järjestäytyneet järjestyksellisesti vai suuntautuneet satunnaisesti, voi vaikuttaa syvällisesti materiaalin ominaisuuksiin. Yksi silmiinpistävimmistä esimerkeistä on amorfisten kiintoaineiden aiheuttama lasinsiirtovaikutus. Piidioksidin tai muiden oksidipohjaisten materiaalien ulkopuolella käytetään usein epäyhtenäisiä “lasimaisia” metalleja niiden epätavallisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi verrattuna tavanomaisiin metalleihin.1

Piidioksidipohjaisia materiaaleja, kuten kvartsia, voidaan luonnehtia sekä kemiallisen koostumuksensa että sen perusteella, ovatko ne kiteisiä vai amorfisia.

Piidioksidipohjaisten materiaalien määrittely

nyt kun olemme tarkastelleet joitakin tärkeitä perustekijöitä, voimme määritellä erot kvartsin, sulatetun piidioksidin ja muiden piidioksidipohjaisten materiaalien välillä.

kvartsi

kuten aiemmin mainittiin, kvartsi on tärkein muoto, jossa piidioksidia esiintyy luonnossa. Kvartsi on kiteinen kiinteä aine; vaikka se siis voi muistuttaa lasia sekä ulkonäöltään että kemialliselta koostumukseltaan, sillä on hyvin erilaiset ominaisuudet kuin lasilla.

kvartsin (eli kiteisen mineraalin) teollisia käyttökohteita on vähän, mutta elektronisissa järjestelmissä kvartsikideoskillaattoreita – tuttavallisimmin rannekelloissa.

ehkä hämmentävästi” synteettistä kvartsia ” voidaan valmistaa teollisiin kvartsisovelluksiin. Tätä voitaisiin ehkä paremmin kutsua kiteiseksi piidioksidiksi, mutta sitä kutsutaan usein yksinkertaisesti “kvartsiksi.”

sulatettu piidioksidi ja sulatettu kvartsi

tässä sana “sulatettu” viittaa käsittelyvaiheeseen: sulatettu piidioksidi on nimellisesti puhdasta piidioksidia, joka on sulatettu ja jäähdytetty lasimaiseksi, amorfiseksi kiinteäksi aineeksi. Kvartsilasi muistuttaa monin tavoin muita laseja, mutta se ei sisällä lisäaineita. Kvartsilasi on erikoismateriaali, jolla on useita korkean suorituskyvyn sovelluksia.

termejä “sulatettu piidioksidi” ja “sulatettu kvartsi” käytetään usein keskenään. Tarkemmin “sulatetulla kvartsilla” tarkoitetaan amorfista kiinteää ainetta, joka on muodostunut sulattamalla luonnossa esiintyvää kvartsia. Joten, vaikka sulatettu piidioksidi on näennäisesti puhdasta SiO2: ta, sulatettu kvartsi sisältää epäpuhtauksia riippuen käytetystä kvartsista.

Piidioksidilasi ja kvartsilasi

näitä termejä käytetään tyypillisesti yleisemmässä merkityksessä, ja niitä voidaan yleensä pitää keskenään vaihdettavina. Molemmat termit voivat viitata joko sulatettuun piidioksidiin tai sulatettuun kvartsiin.

sulatetun piidioksidin Sovellukset

vaikka sulatettu piidioksidi muistuttaa kemiallisesti kvartsia, sen amorfinen rakenne antaa sille useita erillisiä ja erittäin toivottavia lämpö -, mekaaninen-ja sähköominaisuuksia.

Lasit sisältävät yleisesti lisäaineita, kuten alkaleja, maa – alkaleja tai muita oksideja, jotka alentavat lasin prosessointilämpötilaa (sulamislämpötilaa) ja parantavat kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia-mutta kvartsilasi on hyvin puhdasta. Näin ollen sillä on korkeammat käyttölämpötilat, mutta se tarjoaa erilaisia ominaisuuksia kuin muut lasit.

sulatetulla piidioksidilla on hyvin alhainen lämpölaajenemiskerroin, eli se ei laajene tai supistu paljon Kuumennettaessa tai jäähdytettäessä. Tämän seurauksena kvartsilasi kestää hyvin lämpöshokkia ja kestää hyvin nopeaa kuumentamista tai jäähdytystä ilman halkeilua. Sulatetun piidioksidin lämpöominaisuudet tekevät siitä erittäin arvokkaan korkean lämpötilan teollisille komponenteille, kuten upokkaille, tarjottimille ja veneille teräksenvalmistukseen ja lasin valmistukseen.2

sulatettu piidioksidi on läpinäkyvä hyvin laajalle valospektrille, joka ulottuu syvästä ultravioletista kaukoinfrapunaiseen. Tämä tekee siitä keskeisen komponentin optisissa kuiduissa sekä useissa linsseissä, peileissä ja muissa UV – tai IR-välittävissä optiikoissa.3,4

sulatettu piidioksidi on myös erittäin kemiallisesti inertti ja kestää useimpia happoja (poikkeuksena fluorivetyhappo). Tämä kemiallinen inertness lainaa sulatettua piidioksidia biolääketieteellisiin sovelluksiin, usein huokoisen piidioksidin muodossa.

lämpöstabiilisuuden, läpinäkyvyyden ja lujuuden yhdistelmä tekee kvartsilasista vahvan ehdokkaan uusille ja kehittyville sovelluksille, kuten fotolitografiasubstraateille, syövytetyille mikroaaltopiireille ja suojakerrokseksi puolijohdekomponenteissa.

Custom Glass Solutions from Mo-Sci

Mo-Sci kehittää ja valmistaa useita suorituskykyisiä laseja teknisiin sovelluksiin. Jos haluat lisätietoja sulatetusta piidioksidista ja huokoisesta piidioksidista tai keskustella mukautetusta lasisovelluksesta, ota yhteyttä tiimimme jäseneen tänään.

References and Further Reading

1. Glassy metal set to rival steel : Nature News. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. tulenkestävän materiaalin valinta Teräksenvalmistukseen. (John Wiley & Sons, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. & Yaacob, M. H. Hiilinanoputket ja Grafeenioksidisovellukset Optokemiallisissa antureissa. in Synthesis, Technology and Applications of Carbon Nanomaterials 223-246 (Elsevier, 2019). doi: 10.1016 / B978-0-12-815757-2.00010-3.
4. Wang, S., Zhou, C., Zhang, Y. & ru, H. syväetsatut suuritiheyksiset kvartsilasiirtoritilät, joiden hyötysuhde on korkea 1550 nm: n aallonpituudella. Appl. Valita. 45, 2567 (2006).