Mo-Sci blogg

kvarts, smält kvarts, kvartsglas, kiseldioxid, smält kiseldioxid… listan över termer som används för att beskriva olika kiseldioxidbaserade material är lång, förvirrande och ofta missförstådd. I den här artikeln tar vi en närmare titt på de unika egenskaperna hos kvarts och smält kiseldioxid (och några relaterade material) och rensar förvirringen kring dessa termer.

kvarts vs. Kiseldioxid

det första viktiga att veta om kvarts och smält kiseldioxid är att de båda huvudsakligen består av samma ingrediens: kiseldioxid, även känd som kiseldioxid. Kiseldioxid har den kemiska formeln SiO2 och är den primära beståndsdelen i de flesta typer av glas. Den huvudsakliga formen i vilken kiseldioxid finns i naturen är mineralkvarts: ett hårt, transparent kristallint material som utgör en märkbar bråkdel av jordskorpan. Medan kvarts huvudsakligen består av kiseldioxid, innehåller den också naturligt förekommande föroreningar i olika proportioner beroende på dess geologiska ursprung.

så är kiseldioxid en specifik kemisk förening, kiseldioxid, med den kemiska formeln SiO2. Å andra sidan är kvarts ett naturligt förekommande kristallint mineral, som huvudsakligen består av kiseldioxid men innehåller vissa föroreningar.

kristallina och amorfa fasta ämnen

för att fullt ut förstå skillnaderna mellan olika kiseldioxidbaserade material måste vi först granska de grundläggande skillnaderna mellan kristallina fasta ämnen och amorfa fasta ämnen.

skillnaden kommer ner till hur atomer är ordnade inuti fasta ämnen. I ett kristallint fast ämne är de ingående atomerna anordnade i regelbundna, upprepande mönster som kallas kristallgitter. Kvarts är ett exempel på ett kristallint kiseldioxidbaserat material: kisel-och syreatomer är ordnade i en väldefinierad ordnad struktur.

men i ett amorft fast ämne har atomerna ingen långdistansordning. Det till synes slumpmässiga arrangemanget av molekyler i ett amorft fast ämne liknar det hos en vätska, förutom att de är fixerade på plats och inte rör sig runt. De flesta material som vi tänker på som “glas” är amorfa fasta ämnen: faktum är att allt material med en amorf atomstruktur kan beskrivas som “glasartad”.

om atomer är ordnade på ett ordnat sätt eller orienterade slumpmässigt kan djupt påverka ett materials egenskaper. Ett av de mest slående exemplen är glasövergångseffekten som uppvisas av amorfa fasta ämnen. Utanför världen av kiseldioxid eller andra oxidbaserade material används ofta oordnade “glasiga” metaller för sina ovanliga mekaniska egenskaper jämfört med konventionella metaller.1

kiseldioxidbaserade material-som kvarts – kan karakteriseras både vad gäller deras kemiska sammansättning och om de är kristallina eller amorfa.

definiera kiseldioxidbaserade Material

nu när vi har granskat några viktiga grunder kan vi definiera skillnaderna mellan kvarts, smält kiseldioxid och andra kiseldioxidbaserade material.

kvarts

som tidigare nämnts är kvarts den huvudsakliga formen i vilken kiseldioxid förekommer i naturen. Kvarts är ett kristallint fast ämne; så även om det kan likna glas både vad gäller utseende och kemisk smink, har det mycket distinkta egenskaper från glas.

industriella tillämpningar av kvarts (det vill säga det kristallina mineralet) är begränsade, men inkluderar kvartskristalloscillatorer i elektroniska system – mest bekant i armbandsur.

kanske förvirrande kan “syntetisk kvarts” tillverkas för industriella kvartsapplikationer. Detta skulle kanske bättre kallas kristallin kiseldioxid, men kallas ofta helt enkelt som “kvarts.”

smält kiseldioxid och smält kvarts

här hänvisar ordet “smält” till ett bearbetningssteg: smält kiseldioxid är nominellt ren kiseldioxid som har smält och kylts för att bilda ett glasartat, amorft fast ämne. Smält kiseldioxid liknar andra glasögon på många sätt; men det innehåller inga tillsatser. Smält kiseldioxid är ett specialmaterial med ett antal högpresterande applikationer.

termerna “smält kiseldioxid” och “smält kvarts” används ofta omväxlande. Mer exakt hänvisar “smält kvarts” till ett amorft fast ämne som bildas genom smältning av naturligt förekommande kvarts. Så, medan smält kiseldioxid är uppenbarligen ren SiO2, innehåller smält kvarts föroreningar beroende på kvarts som användes.

Kiseldioxidglas och kvartsglas

dessa termer används vanligtvis i en mer generisk mening och kan vanligtvis betraktas som utbytbara. Båda dessa termer kan hänvisa antingen till smält kiseldioxid eller smält kvarts.

tillämpningar av smält kiseldioxid

medan smält kiseldioxid kemiskt liknar kvarts, ger dess amorfa struktur det ett antal distinkta och mycket önskvärda termiska, mekaniska och elektriska egenskaper.

Glasögon innehåller vanligtvis tillsatser som alkali, alkalisk jord eller andra oxider för att sänka glasbearbetningstemperaturen (smältning) och för att förbättra kemiska och fysikaliska egenskaper – men smält kiseldioxid är mycket ren. Följaktligen har den högre arbetstemperaturer men erbjuder olika egenskaper från andra glasögon.

smält kiseldioxid har en mycket låg värmeutvidgningskoefficient, vilket betyder att den inte expanderar eller kontraherar mycket när den upphettas eller kyls. Som ett resultat är smält kiseldioxid mycket resistent mot termisk chock och tål mycket snabb uppvärmning eller kylning utan sprickbildning. De termiska egenskaperna hos smält kiseldioxid gör den mycket värdefull för industriella komponenter med hög temperatur, såsom deglar, brickor och båtar för ståltillverkning och glastillverkning.2

smält kiseldioxid är transparent för ett mycket brett spektrum av ljus, som sträcker sig från djup ultraviolett till långt infraröd. Detta gör det till en nyckelkomponent i optiska fibrer, såväl som i en rad linser, speglar och annan UV – eller IR-sändande optik.3,4

smält kiseldioxid är också extremt kemiskt inert och resistent mot de flesta syror (med det anmärkningsvärda undantaget fluorvätesyra). Denna kemiska inertitet lånar smält kiseldioxid till biomedicinska tillämpningar, ofta i form av porös kiseldioxid.

kombinationen av termisk stabilitet, transparens och styrka gör smält kiseldioxid till en stark kandidat för nya och utvecklande applikationer som fotolitografisubstrat, etsade mikrovågskretsar och som ett skyddande skikt i halvledaranordningar.

Custom Glass Solutions från Mo-Sci

Mo-Sci utvecklar och tillverkar en rad högpresterande glasögon för tekniska tillämpningar. För att ta reda på mer om våra smält kiseldioxid och porösa kiseldioxidprodukter, eller för att diskutera en anpassad glasapplikation, kontakta en medlem av vårt team idag.

referenser och vidare läsning

1. glasartad metall inställd på rival steel : Nature News. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. eldfast materialval för ståltillverkning. (John Wiley & Söner, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. A. & Yaacob, M. H. Kolnanorör och Grafenoxidapplikationer i Optokemiska sensorer. i syntes, teknik och tillämpningar av Kolnanomaterial 223-246 (Elsevier, 2019). doi: 10.1016 / B978-0-12-815757-2.00010-3.
4. Wang, S., Zhou, C., Zhang, Y. & Ru, H. djupt etsad hög densitet smält kiseldioxid transmissionsgaller med hög effektivitet vid en våglängd av 1550 nm. Appl. Välja. 45, 2567 (2006).