Mo-Sci Blog

Kwarc, topiony kwarc, szkło kwarcowe, krzemionka, topiona krzemionka … lista terminów używanych do opisu różnych materiałów na bazie krzemionki jest długa, myląca i często źle rozumiana. W tym artykule przyjrzymy się unikalnym właściwościom kwarcu i topionej krzemionki (i kilku powiązanych materiałów) i wyjaśnimy zamieszanie wokół tych terminów.

Kwarc vs. Krzemionka

pierwszą ważną rzeczą, którą należy wiedzieć o kwarcu i stopionej krzemionce, jest to, że oba składają się głównie z tego samego składnika: krzemionki, znanej również jako dwutlenek krzemu. Krzemionka ma wzór chemiczny SiO2 i jest głównym składnikiem większości rodzajów szkła. Główną formą, w której krzemionka występuje w przyrodzie, jest kwarc mineralny: twardy, przezroczysty materiał krystaliczny, który stanowi znaczną część skorupy ziemskiej. Podczas gdy kwarc składa się głównie z krzemionki, zawiera również naturalnie występujące zanieczyszczenia w różnych proporcjach w zależności od jego pochodzenia geologicznego.

tak więc krzemionka jest specyficznym związkiem chemicznym, dwutlenkiem krzemu, o wzorze chemicznym SiO2. Z drugiej strony kwarc jest naturalnie występującym minerałem krystalicznym, który składa się głównie z krzemionki, ale zawiera pewne zanieczyszczenia.

Krystaliczne i amorficzne ciała stałe

aby w pełni zrozumieć różnice między różnymi materiałami na bazie krzemionki, najpierw musimy przejrzeć podstawowe różnice między krystalicznymi ciałami stałymi a amorficznymi ciałami stałymi.

rozróżnienie sprowadza się do tego, jak atomy są ułożone wewnątrz ciał stałych. W krystalicznym ciele stałym Atomy składowe są ułożone w regularne, powtarzające się wzory znane jako sieci krystaliczne. Kwarc jest przykładem krystalicznego materiału na bazie krzemionki: Atomy krzemu i tlenu są ułożone w dobrze zdefiniowaną uporządkowaną strukturę.

jednak w amorficznym ciele stałym Atomy nie mają rzędu dalekiego zasięgu. Pozornie przypadkowy układ cząsteczek w amorficznym ciele stałym przypomina płyn, z tym wyjątkiem, że są one ustalone na miejscu i nie poruszają się. Większość materiałów, które uważamy za “szkło”, to amorficzne ciała stałe: w rzeczywistości każdy materiał o amorficznej strukturze atomowej można opisać jako”szklisty”.

to, czy atomy są ułożone w uporządkowany sposób, czy zorientowane losowo, może głęboko wpływać na właściwości materiału. Jednym z najbardziej uderzających przykładów jest efekt przejścia szkła wykazywany przez amorficzne ciała stałe. Poza światem krzemionki lub innych materiałów opartych na tlenkach, nieuporządkowane” szkliste ” metale są często używane ze względu na ich niezwykłe właściwości mechaniczne w porównaniu z konwencjonalnymi metalami.1

materiały na bazie krzemionki-takie jak kwarc – można scharakteryzować zarówno pod względem składu chemicznego, jak i tego, czy są krystaliczne, czy amorficzne.

Definiowanie materiałów na bazie krzemionki

teraz, gdy przejrzeliśmy kilka ważnych podstaw, możemy zdefiniować różnice między kwarcem, stopioną krzemionką i innymi materiałami na bazie krzemionki.

Kwarc

jak wspomniano wcześniej, kwarc jest główną formą, w której występuje krzemionka w przyrodzie. Kwarc jest krystalicznym ciałem stałym; tak więc, chociaż może przypominać szkło zarówno pod względem wyglądu, jak i składu chemicznego, ma bardzo wyraźne właściwości od szkła.

przemysłowe zastosowania kwarcu (czyli minerału krystalicznego) są ograniczone, ale obejmują oscylatory kwarcowe w układach elektronicznych – najbardziej znane w zegarkach na rękę.

być może myląco, “syntetyczny kwarc” może być produkowany do przemysłowych zastosowań kwarcowych. Być może byłoby to lepiej określane jako krzemionka krystaliczna, ale jest często określane po prostu jako ” kwarc.”

topiona krzemionka i topiony Kwarc

tutaj słowo” topiona ” odnosi się do etapu przetwarzania: topiona krzemionka jest nominalnie czystą krzemionką, która została stopiona i schłodzona, tworząc szkliste, amorficzne ciało stałe. Topiona krzemionka pod wieloma względami przypomina inne okulary, ale nie zawiera żadnych dodatków. Topiona krzemionka to specjalny materiał o wielu wydajnych zastosowaniach.

terminy “topiona krzemionka” i “topiony kwarc” są często używane zamiennie. Dokładniej, “topiony kwarc” odnosi się do amorficznego ciała stałego utworzonego przez topienie naturalnie występującego kwarcu. Tak więc, podczas gdy topiona krzemionka jest pozornie czystym SiO2, topiony kwarc zawiera zanieczyszczenia w zależności od kwarcu, który został użyty.

Szkło krzemionkowe i szkło kwarcowe

terminy te są zwykle używane w bardziej ogólnym znaczeniu i mogą być zwykle uważane za wymienne. Oba te terminy mogą odnosić się do topionej krzemionki lub topionego kwarcu.

zastosowania topionej krzemionki

podczas gdy topiona krzemionka jest chemicznie podobna do kwarcu, jego amorficzna struktura daje mu szereg wyraźnych i wysoce pożądanych właściwości termicznych, mechanicznych i elektrycznych.

okulary zwykle zawierają dodatki, takie jak alkalia, Ziemia alkaliczna lub inne tlenki, aby obniżyć temperaturę obróbki szkła (topnienia) i poprawić właściwości chemiczne i fizyczne – ale stopiona krzemionka jest bardzo czysta. W związku z tym ma wyższe temperatury robocze, ale oferuje inne właściwości niż inne okulary.

topiona krzemionka ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, co oznacza, że nie rozszerza się ani nie kurczy znacznie po podgrzaniu lub schłodzeniu. W rezultacie topiona krzemionka jest wysoce odporna na szok termiczny i może wytrzymać bardzo szybkie ogrzewanie lub chłodzenie bez pękania. Właściwości termiczne topionej krzemionki sprawiają, że jest ona bardzo cenna dla wysokotemperaturowych komponentów przemysłowych, takich jak Tygle, tace i łodzie do produkcji stali i szkła.2

topiona krzemionka jest przezroczysta dla bardzo szerokiego spektrum światła, rozciągającego się od głębokiego ultrafioletu do dalekiej podczerwieni. To sprawia, że jest kluczowym elementem w światłowodach, a także w wielu soczewkach, lustrach i innych optyce nadającej promieniowanie UV lub IR.3,4

topiona krzemionka jest również wyjątkowo chemicznie obojętna i odporna na większość kwasów (z godnym uwagi wyjątkiem kwasu fluorowodorowego). Ta obojętność chemiczna nadaje stopionej krzemionki do zastosowań biomedycznych, często przybierając postać porowatej krzemionki.

połączenie stabilności termicznej, przezroczystości i wytrzymałości sprawia, że topiona krzemionka jest silnym kandydatem do nowych i rozwijających się zastosowań, takich jak podłoża fotolitograficzne, wytrawione obwody mikrofalowe i jako warstwa ochronna w urządzeniach półprzewodnikowych.

niestandardowe rozwiązania Szklane od Mo-Sci

Mo-sci opracowuje i produkuje gamę wysokowydajnych okularów do zastosowań technicznych. Aby dowiedzieć się więcej o naszych produktach z krzemionki topionej i krzemionki porowatej lub omówić niestandardowe zastosowanie szkła, skontaktuj się z członkiem naszego zespołu już dziś.

1. szklisty metalowy zestaw do rival steel: Nature News. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. wybór materiałów ogniotrwałych do produkcji stali. (John Wiley & Sons, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. A. & Yaacob, M. H. Nanorurki węglowe i zastosowania tlenku grafenu w czujnikach Optochemicznych. 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. głęboko wytrawione kraty transmisyjne o wysokiej gęstości z krzemionką o wysokiej wydajności przy długości fali 1550 nm. Appl. Opt. 45, 2567 (2006).