Кварцевые стекла: особенности производства, гост. стекло кварцевое оптическое: применение

Cтраница 1

Свойства кварцевого стекла при высоких температурах значительно изменяются. При температуре 1200 С кварцевое стекло начинает размягчаться, становится пластичным и вязкость его понижается.  

Изменение свойств кварцевого стекла при температуре около 1000 объясняется его превращением в а-кристобалит. Из этого обычно делается вывод, что кварцевые оболочки нельзя применять при болер высоких температурах, по крайней мере при длительных измерениях. Однако опыт показывает, что при температурах 1300 - 1500 оболочки сохраняют свою прочность после полного превращения в а-кристобалит и могут хорошо служить в этих условиях.  

Исследование физико-химических и спектрально-люминесцентных свойств кварцевого стекла / Е. И. Талант, Ю. Н. Кондратьев, Л у н-тер и др. - В кн.: Тезисы докладов на III Всесоюз.  

Строение и свойства кварцевого стекла в значительной мере зависят от чистоты исходного сырья, а также от способа и условий производства, что недостаточно учитывается при исследовании его структуры. В наиболее чистом сырьз (природном горном хрустале) имеется 0.03 - 0.0 i % примесей (ионов калия, натрия и кальция), которые существенно влияют на кремнеземистый каркас и при определенных термических условиях могут привести к кристаллизации стекла с образованием кристобалита.  

Состояние и свойства кварцевого стекла изменяются при нагреве свыше 1000 С, а при температуре более 1200 С оно начинает размягчаться; при этих температурах некоторые газы легко диффундируют через слой кварцевого стекла. Наиболее легко диффундируют газы с малым атомным весом (водород); они начинают проникать уже при 500 С. Такие газы, как хлористый водород, кислород, углекислый газ и азот, диффундируют при температуре 800 - 1200 С. Поэтому кварцевые трубы не рекомендуется применять для транспортировки нагретых газов.  

Способ основан на свойстве кварцевого стекла выдерживать резкие изменения температуры.  

Де Кудр28 и Уотсон29 на опыте убедились в том, сколько затруднений причиняют свойства кварцевого стекла и его проницаемость для водорода при высоких температурах и давлениях. Сильная кристаллизация кварцевого стекла обусловлена минерализующим действием горячего водяного пара, чему сильно способствует наличие даже следов железа и ржавчины, действующих как типичные катализаторы. Кроме того, внутри стальной бомбы, использовавшейся де Кудром, в жидкости всегда образуются пузырьки вследствие диффузии водорода через тонкостенный сосуд из кварцевого стекла.  

Тонкая нить из кварцевого стекла, будучи закручена, возвращается в исходное положение; поэтому такие нити употребляют в измерительных приборах. Свойство кварцевых стекол пропускать ультрафиолетовые лучи используется в специальных электролампах, применяемых для лечения некоторых заболеваний.  

Стекла - неорганические аморфные вещества, представляющие собой обычно системы различных окислов. В табл. 23.21 указаны свойства кварцевых стекол, а в табл. 23.22 - ряда других электроизоляционных стекол.  

Стекло викор (96 % SiO2) получают из боросиликатного стекла, из которого после изготовления соответствующего изделия горячей кислотой выщелачивают борат щелочного металла. Остающийся тонкопористый материал в дальнейшем подвергают спеканию, после чего он частично приобретает свойства кварцевого стекла.  

Основным недостатком кварцевого стекла как диэлектрика является трудность его переработки. Плавление кварца ввиду его высокой точки размягчения ведется в специальных электрических печах, причем при плавлении необходимо получить продукт, не содержащий воздушных пузырей, сильно ухудшающих свойства кварцевого стекла, что представляет большие трудности. Кварцевое стекло практически не поддается обработке, кроме шлифования.  

Исправление цветности излучения ртутного разряда высокого давления горелки в этих лампах достигается за счет излучения вводимых в горелку элементов. В области разряда сначала происходит диссоциация иодидов на составляющие, затем возбуждение и излучение светящихся элементов - натрия, таллия и др. По мере выхода из области разряда элементы Соединяются с иодом, поэтому их вредное влияние на свойства кварцевого стекла горелки ослабляется.  

Кварцевое стекло – вид стекла на основе оксида кремния. Двуокись кремния находится в аморфном состоянии. Это не приводит к разрушению стекла при температурных перепадах, чем не может похвастаться кристаллический кварц.

Силикатное стекло производится путем плавки кремнезема (двуокись кремния), который может быть представлен в виде кварцевого песка, синтетического сырья, горного хрусталя или жилистого кварца.

Силикатное стекло относится к группе неорганических стекол. Кварц может образовываться в природных условиях. Например, удар молнии в кварцевый песок приводит к созданию кварцевого стекла.

В производстве силикатное стекло часто называется сокращенно – кварц. Данный вид оптического материала имеет наибольший показатель светопропускания. Так, стекло из оксида кремния толщиной в 100м пропускает столько же света, как и обычное оконное стекло.

В основе структуры материала лежат кремний-кислородные тетраэдры, которые взаимодействуют и связываются между собой благодаря ионам кислорода. Строгого порядка в размещении тетраэдров нет, хотя они создают трехмерные сетки. Такое свойство говорит об аморфности силикатного стекла.

Свойства кварцевого стекла

Материалу свойственен целый ряд уникальных характеристик:

• Высокая однородность, что используется в оптике;
• Низкое поглощение света;
• Устойчивость к высоким и низким температурам, а также амплитудам;
• Хорошее сопротивление лазерным излучениям высокой силы;
• Стойкость к ионизирующему излучению;
• Стекло из двуокиси кремния химически инертно к огромному количеству кислот (исключение – фтористоводородная и ортофосфатная при температуре 300 градусов Цельсия).

Благодаря тому, что кварцевое стекло не взаимодействует с кислотами и другими реактивами, оно широко применяется в процессе производства чистых материалов (реакторы, ампулы и пр.)

Одним из основных свойств кварцевого стекла считается стойкость к любым температурным перепадам.Так, силикатные трубы легко справляются с резким нагреванием до 900ᵒ С и охлаждением в воде.

А брусья из материала, охлаждаемые частично, сохраняют с другой стороны температуру нагревания. Это дает полное право использовать их в качестве огнеупорного материала. А тонкие изделия из кварца применяются в оптических системах, работающих с интенсивными источниками теплового излучения.

Кварцевое стекло, свойства которого ценятся практически в любом производстве, считается одним из лучших традиционных материалов. Особую любовь к силикатному стеклу питают полупроводниковая промышленность и производство оптических приборов.

Принято считать, что силикатное стекло – прекрасный диэлектрик. Кварц практически не проводит электрический ток, что также широко используется в промышленности. Стекло из кварца может применяться в изготовлении солнечных и бактерицидных ламп, специальных электротехнических аппаратах.

Применение кварцевого стекла

Область применения кварцевого стекла настолько широка, что, кажется, нет отрасли, в которой бы оно не использовалось. Все лабораторное оборудование для исследований изготовлено из силикатного стекла. Оптические приборы, изоляторы, космические оборудование – все это тоже производится из кварца.

В видимой инфракрасной области спектра кварцевое стекло полностью прозрачное. Это делает из него ценный оптический материал.

Из кварца производят:

• Линзы;
• Призмы;
• Оптические окна.

В современном производстве оптических линз силикатное стекло считается незаменимым материалом в изготовлении продукции различной сложности. Широкий диапазон прозрачности способствовал применению стекла в сегменте телекоммуникаций (оптоволокно).

Стоит различать прозрачное и непрозрачное кварцевое стекло. Непрозрачное содержит в своей структуре небольшие пузырьки газа. Ними определяется цвет стекла. Прозрачное стекло делится на техническое и оптическое. Силикатное стекло, используемое в оптике, обладает гомогенностью.

Однородность (гомогенность) – один из главных показателей для оптических материалов. Именно этот параметр определяет характеристики будущего продукта. Так, если в нем будут пузырьки газа или иные включения, сложно гарантировать прозрачность и высокое преломление.

Бесцветное силикатное стекло для оптических целей производится в трех сериях:

• 0 – стекло, использующееся в агрегатах при обычных условиях;


• 100 – маркировка означает, что стекло применяется в изготовлении деталей, пригодных для работы в области незначительно ионизирующего излучения;


• 200 – стекло пригодное для производства аппаратов, основное применение которых – работа в агрессивных условиях интенсивного ионизирующего излучения.

Несмотря на серию, состав кварцевого стекла может быть разным. Для обозначения каждого вида стекла на производстве было предложено использовать свой шифр, который значится как маркировка. Наименование продукции состоит из букв и цифр, что упрощает разделение материалов на типы оптического стекла.

Состав кварцевого стекла во многом определяет свойства материала. В зависимости от состава стекло относится либо к техническому, либо к оптическому (общего назначения).

Существует также силикатное стекло прозрачное в инфракрасной области, стекло из кремния, не темнеющее от радиоактивных излучений, и особо чистый материал. На производстве есть еще и увиолевое стекло – специальный материал, который остается прозрачным при воздействии коротких ультрафиолетовых лучей.

Кварц нашел применение в производстве трубок для уровня жидкостей. Такие змеевики и трубочки используются в металлургии, котельных установках, другом промышленном оборудовании. Трубы из кварца используются в электронагревающих агрегатах, химических установках, полупроводниковых системах и светотехнической индустрии.

Изделия из кварцевого стекла могут исполняться из прозрачного и непрозрачного силикатного стекла.

Так, прозрачные колбы из кварца характеризуются:

• Хорошей стойкостью к высоким температурам;
• Инертностью к химическим соединениям;
• Превосходной оптической прозрачностью.

Непрозрачные трубки из кварцевого стекла обладают следующими характеристиками:

• Высокая теплопроводность в сравнении с прозрачными стеклами;
• Низкая себестоимость;
• Высокая стойкость к высоким температурам;
• Стойкость к реактивам.

Силикатное стекло используется в судостроении (морском и космическом), при производстве смотровых фонарей, устройств, обеспечивающих визуальный контроль процесса производства, в химической и нефтеперерабатывающей индустрии.

В авиационном строении кварцевое стекло также нашло свое применение. Силикатное стекло в несколько слоев играет роль остекления кабин авиационного транспорта. В летательных аппаратах помимо остекления кабин из силикатного стекла обустраиваются системы обогрева этого же остекления.

Кроме прозрачного и непрозрачного кварца существует и цветное стекло. Цвет ему придается в процессе варки с добавлением оксидов цветных металлов (золота, меди и др.) При добавлении оксида железа получается стекло синего цвета, а при добавлении свинца – хрусталь. Он относится к уникальному подвиду декоративного силикатного стекла. В советское время наличие хрустальной посуды свидетельствовало о высоком статусе хозяина.

В наше время посуда из хрусталя утратила свое значение, а материал стал использоваться в изготовлении люстр, бра, настенных и настольных светильников.

Производители изготавливают кварцевое стекло по ГОСТ. Нормативный документ упрощает производственные процессы путем их урегулирования. Так, общие технические условия находятся в ГОСТ 15130-86. Оптическое кварцевое стекло по ГОСТу предназначено для изделий, которые работают в условиях прохождения однонаправленного света. Нормативный документ предусматривает выпуск продукции и заготовок в диаметре до 1200мм.

Современный рынок диктует свои правила производителям кварцевого стекла, не оставляя им выбора. Нынешнее производство должно больше внимания уделять высокотехнологичному оборудованию, новым методам обработки сырья и постоянно повышать требования к качеству изделий из силикатного стекла. Поэтому качество продукции, выпускаемой заводами, постоянно улучшается с модернизацией оборудования.

Производство (изготовление) кварцевого стекла

Оптические стекла играют важную роль на современном этапе развития человечества. Кварц – одна из разновидностей оптического стекла. Силикатное стекло производится на основе двуокиси кремния путем плавления. Оксид может быть представлен в виде синтетического кварца, кварцевого песка или жильного кварца.

Плавится сырье для стекла при температуре 1700 градусов Цельсия. Изготовление кварцевого стекла – распространенный в наше время бизнес. Это выгодное направление производства, поскольку данный материал применятся в различных сферах бытового и специализированного производства.

Основное отличие силикатного стекла от других видов в том, что оно не поддается резке в процессе приготовления и эксплуатации. В это же время распространена практика обработки стекла из двуокиси кремния с помощью алмазных дисков. При обработке также применяется карборунд. Также стоит отметить, что кварцевое стекло хорошо сверлится, отлично поддается шлифовке и полировке.

При полировке и шлифовке не должно быть никаких биений. Это чревато растрескиванием стекла или некачественной обработкой. При обработке для последующего охлаждения материал обрабатывается сильным напором воды. Это обеспечивает максимально эффективную обработку материала, что больше всего устраивает заказчика и конечного потребителя.

Производство кварцевого стекла довольно востребовано, потому что это один из лучших материалов для изоляции. Силикатное стекло широко используется в электротехнической отрасли, оптике, светотехнике и медицине.

В силу того, что кварц – превосходный диэлектрик, производство кварцевого стекла высоко ценится в электротехнике и радиоэлектронной индустрии. В этих сферах широко используется и подвид силикатного стекла – электровакуумное стекло.

Краткое описание производства кварцевого стекла в зависимости от его вида:

• Непрозрачное силикатное стекло. Производится такой вид из чистого песка. Продукция применяется для изготовления лабораторного оборудования. Такие приборы характеризуются термостойкостью. Среди изделий из непрозрачного стекла наибольшим спросом пользуются чехлы для термопар, лабораторное оборудование, муфели;


• Прозрачное стекло для технических целей. Изготовление кварцевого стекла технического используется горный хрусталь. В качестве альтернативы может применяться синтетическая двуокись кремния. Такой вид стекла характеризуется высокой прозрачностью. За счет своих характеристик техническое силикатное стекло применяется в производстве радиоаппаратуры, световолокна;


• Оптическое прозрачное силикатное стекло. Для его производства используется специальный оптический чистый кварц. Такое сырье имеет высокую степень химической чистоты. Такое свойство обеспечило оптическому стеклу из кремния высокий показатель светопропускания;


• Легированное стекло – силикатное стекло, при производстве которого в его состав были включены легирующие добавки;


• Особо чистое стекло из двуокиси кремния. Это особый вид кварца. В нем находится минимум газовых пузырьков и других примесей. Для особо чистого стекла характерна повышенная способность к светопропусканию. Это свойство используется для изготовления оптоволокна. Широкое применение такой вид кварцевого стекла нашел в космическом оборудовании, микроэлектронике. Первоклассные оптические приборы также не обходятся без особо чистого силикатного стекла;


• Керамическое стекло. Производится из кварцевого песка. Нашло применение в производстве огнеупорных элементов и деталей. Для керамического стекла свойственна высокая степень защиты от радиоактивных излучений и особая кислотоустойчивость. Керамическое стекло также славится своей термостойкостью.

Кроме массового производства, многие заводы берутся за индивидуальные небольшие заказы. В таком случае заказчик приводит индивидуальные параметры, которые ему нужны от изделий из силикатного стекла.

Заготовки из кварцевого стекла могут быть в форме плит, дисков (круглой или овальной формы) и пластин. Заводы выпускают только качественный продукт, качество которого отвечает всем требованиям ГОСТ и другой нормативной литературы.

Cвойства кварцевого стекла отличаются от свойств обычного стекла. Кварцевое стекло обладает целым рядом уникальных приемуществ, недостижимых для других материалов. Впрочем, кварцвому стеклу присущи и некоторые недостатки.

Термические свойства

Замечательным свойством кварцевого стекла, благодаря которому оно привлекло к себе внимание не только специалистов, но и широкой публики, является его нечувствительность к резким изменениям температуры.

Это свойство становится еще более разительным, если сравнивать поведение кварцевого стекла с поведением совершенно тождественного по внешнему виду стекла обыкновенного. Всем прекрасно известно, с какой легкостью последнее трескается при внезапных изменениях температуры даже в небольших пределах, каких-нибудь 100°. Достаточно малейшей неравномерности в нагревании обычного стекла, чтобы последовали самые плачевные результаты.

Вполне естественно и оправдано поэтому удивление, с каким обыкновенно в первый раз наблюдают за рискованными термическими опытами, проделываемыми над химической посудой из кварцевого стекла. Ее можно без всякой опаски нагревать до красного каления, а затем бросать в воду или поливать холодной водой. Ее можно спокойно ставить на накаленную докрасна плиту или без всякой сетки греть на голом огне. Результаты всегда одни и те же, никогда ни одной трещины.

Данное преимущество кварцевого стекла объясняется низким (и почти не изменяющийся с температурой) коэффициентом термического расширения, который примерно в 15-20 раз меньше КТР обычного стекла. Именно благодаря этому изделия из кварцевого стекла переносят без растрескивания весьма резкие изменения температуры.

Например, кварцевые трубы диаметром 10-30 мм выдерживают многократное нагревание до 800-900 °С и охлаждение в воде. Брусья из кварцевого стекла, охлаждаемые с одной стороны, сохраняют на противоположной стороне температуру 1500 °С и потому используются в качестве огнеупоров. Тонкостенные изделия из кварцевого стекла выдерживают резкое охлаждение на воздухе от температуры выше 1300 °С и потому с успехом используются для высокоинтенсивных источников света.

Химические свойства

Отличительное химическое свойство кварцевого стекла - его кислотоупорность,. Лишь плавиковая и фосфорная кислоты способны с ним реагировать. Другие кислоты, в какой бы концентрации и при какой бы температуре они ни находились, совершенно не действуют на кварцевое стекло.

Плавиковая (фтористоводородная, HF) кислота действует на кварцевое стекло гораздо слабее, чем на стекло обыкновенное. Разрушение плавленного кварца плавиковой кислотой примерно в 10 раз медленнее разрушения обыкновенного стекла. Другая из действующих на кварцевое стекло кислот - фосфорная (P2O5) - обнаруживает тенденцию разлагать его лишь при температурах, превышающих 300°C.

Поддаваясь действию плавиковой и фосфорной кислот, кварцевое стерло совершенно не изменяется другими кислотами (азотной, соляной, серной, царской водкой и пр.), почему и применяется с успехом во всех тех случаях, когда необходимы изделия из достаточно кислотоупорного материала, вытесняя сплошь и рядом дорогую платиновую посуду в области лабораторного оборудования и громоздкие и хрупкие керамические изделия в области химической промышленности.

В отличие от всех без исключения сортов обычных стекол, кварцевое стекло совершенно не подвержено действию чистой воды и атмосферным воздействиям.

В то же время по щёлочеустойчивости, особенно в высококонцентрированных щелочных растворах, оно имеет примерно тот же уровень, что и многие современные химико-лабораторные стекла, значительно уступая некоторым наиболее щелочеустойчивым стеклам.

Оптические свойства

Кристаллический кварц (минерал) по праву считается одним из самых прозрачных веществ, и надо сказать, что кварцевое стекло мало чем ему в этом уступает, показывая весьма малое поглощение как в видимых, так и в невидимых частях спектра. Лучшие сорта обыкновенных стекол, как бы прозрачны они ни были, всегда обнаруживают в толстых слоях окраску, указывающую на заметное поглощение видимых лучей. В этом проще всего убедиться, рассматривая торцевую часть стеклянной трубки, имеющую для простых сортов яркий зеленый цвет. В противоположность этому, кварцевое стекло даже в весьма толстых слоях не обнаруживает почти никакого оттенка и очень незначительно поглощает падающий на него свет. Так например, через пластину толщиной 10 см пройдет в случае кварцевого стекла в 2,25 раза больше видимого света, чем в случае оконного стекла. Это обстоятельство послужило причиной применения плавленого кварца для устройства иллюминаторов в аппаратах, предназначенных для исследования морских глубин.

Кварцевое стекло из всех стекол наиболее прозрачно для ультрафиолетовых лучей. Это свойство кварца находит применение при изготовлении различных ультрафиолетовых источников света, например, лампы УФ-стерилизации, ртутные лампы, и пр.

В инфракрасной части спектра прозрачность кварца так же высока, как и в ультрафиолетовой. Поэтому, в сочетании с высокой термостойкостью кварцевого стекла, его, например, используют при изготовлении бытовых и промышленных нагревателей различных форм и размеров.

Таким образом хорошая прозрачность кварцевого стекла, понимая под словом «хороший» пропускание в 90% и больше, простирается на весьма обширный диапазон длин волн, в среднем, от 200 до 4000 нанометров.

На графике ниже Вы видите сравнительную характеристику спектра оптического пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического стекла BK7 и обычного стекла. Спектр видимого света лежит на графике примерно в пределах от 400 нм до 800 нм.

Данные о прозрачности кварцевого стекла для коротких ультрафиолетовых лучей весьма разноречивы, что объясняется индивидуальными особенностями исследуемых образцов. Дело в том, что самая незначительная примесь, попавшая в кварцевое стекло в процессе плавки, может в высшей степени изменить его прозрачность в коротковолновой части спектра.

Газопроницаемость

При определенных условиях стекла обладают газопроницаемостью, т. е. газы способны диффундировать (проникать) через стекло. Наибольшей проницаемостью через стекло обладают гелий и водород, причем скорость проникания водорода через стекла на порядок ниже, чем у гелия.Для аргона, кислорода и азота стекла можно считать непроницаемыми, так как проницаемость этих газов в 105 раз меньше проницаемости гелия.

Газопроницаемость стекол зависит от рода газа, состава стекла, и уменьшается при увеличении толщины стенки и понижении температуры. Чем плотнее структура стекла и чем больше молекула газа, тем меньше газопроницаемость.

Наибольшей газопроницаемостью обладает кварцевое стекло; его газопроницаемость приблизительно в 3*102 раза больше, чем других стекол. Проницаемость кристаллического кварца в 107 раз меньше, чем плавленого.

Интересно познакомиться с проницаемостью гелия через стенки колб, изготовленных из разных сортов стекла. Если при температуре 25 °С начальное давление в колбе было 10-16 торр (1 торр=1 мм рт. ст.=133,322 Па), то при той же температуре давление повысится до 10-6 торр в колбе из:

Изделия из кварцевого стекла не подвергаются деформированию при температурах вплоть до 1000° С.

Кварцевое стекло - хороший диэлектрик. Электрическое сопротивление кварца значительно выше, чем лучших силикатных стекол. Это делает кварц отличным материалом для изготовления работающих при нагревании изоляционных элементов.

Плотность кварцевого стекла равна 2202±5 кг/м3 (2,202 г/см3). В зависимости от наличия и содержания пузырьков воздуха плотность плавленного кварца может колебаться от 2,0 до 2,2.

Стекло стало настолько привычным в нашей жизни, что многие люди даже и не догадываются, сколько разновидностей этого материала существует и как его производят. Еще ацтеки были знакомы с одной из разновидностей этого материала, когда находили обсидиан – вулканическое стекло, которое получалось природным путем при взаимодействии раскаленной лавы с различными горными породами и песком. Прообразом привычного для нас оконного стекла стала слюда – прозрачный материал, по свойствам напоминающий оконное стекло. И лишь в средние века был раскрыт один из секретов изготовления стекла и стали известны основные его составляющие. Существует масса разновидностей этого прозрачного материала, среди которых есть силикатное (наиболее распространенное и широко используемое), органическое и кварцевое стекло. Каждый вид имеет свои отличительные особенности по составу и способу получения и наделен определенными уникальными свойствами.

Основные характеристики кварцевого стекла

Этот материал считается разновидностью силикатного стекла с тем лишь отличием, что основное составляющее вещество не песок, а кремнезем. Диоксид кремния в таком стекле находится в аморфном состоянии и не образует жестких молекулярных связей. Благодаря этому кварцевое стекло без труда переносит резкие колебания температур и обладает большей механической прочностью, чем обыкновенное стекло. В качестве сравнения можно нагреть трубки из обыкновенного и кварцевого стекла на обыкновенной химической горелке, а затем резко опустить оба изделия в холодную воду. Обыкновенное стекло моментально покроется трещинами, а с кварцевым ничего не произойдет.

Основными характеристиками кварцевого стекла являются:

• повышенная механическая прочность;
• вибро- и износостойкость;
• уникальные оптические свойства;
• устойчивость к воздействию кислот, солей и щелочей даже при высоких температурах;
• невосприимчивость к любым видам излучений, включая радиацию.

Разновидности кварцевых стекол

В зависимости от технологии производства различают два основных вида этого стекла:

• оптически прозрачное;
• непрозрачное.

Светопропускная способность напрямую зависит от наличия в стекле микроскопических пузырьков, заполненных газом, которые и поглощают, а затем рассеивают свет. Прозрачное стекло получают способом плавки горного хрусталя. Оно имеет однородную структуру, в которой отсутствуют инородные вкрапления и газовые пузырьки.

Области применения

В зависимости от разновидности стекло из диоксида кремния применяют в различных областях:

• химическая промышленность. Благодаря отсутствию взаимодействия материала с агрессивными химическими веществами из него изготавливают различную лабораторную посуду;
• энергетика. При работе высоковольтных линий широко используются кварцевые изоляторы;
• оптика. Для производства любых оптических высокоточных приборов используются исключительно линзы, изготовленные из кварцевого стекла. В отличие от стандартного силикатного стекла кварцевые линзы обладают практически эталонными характеристиками фокусировки;
• товары народного потребления. В качестве наиболее распространенного применения можно привести хорошие часы, циферблат которых защищен именно кварцевым стеклом, или дорогие мобильные телефоны, дисплеи которых также имеют внешнюю оболочку из этого материала.

Узнать больше о технологии получения кварцевых стекол и областях их применения можно на международной выставке «Мир стекла» , которая будет проходить в ЦВК «Экспоцентр». К услугам посетителей широкие тематические экспозиции, связанные со стеклом: технологии получения, изготовление промышленных и бытовых изделий, методы и способы обработки, современное профессиональное и бытовое оборудование, а также расходные материалы, предметы интерьера и декора из стекла.

Стекло - один из самых древних материалов, который широко применяется во всех сферах практической деятельности человека благодаря набору полезных качеств и свойств. За время существования (а это более 5 тыс. лет) его химическая формула осталась практически той же, изменились лишь его качества.

Кварцевое стекло

В течение долгих лет человек стремился создать стекло все более прозрачным и устойчивым к различным разрушающим факторам. В результате такого целенаправленного совершенствования появились кварцевые стекла - совершенно новый тип материала с поражающими сознание характеристиками. Возможно, именно это стекло определит направление дальнейшего развития человечества.

Кварцевое стекло - это продукт плавления чистого оксида кремния (SiO 2). В отличие от обычного стекла, этот материал находится в аморфном состоянии, то есть не имеет точной температуры плавления и при нагревании из твердого состояния в жидкое переходит постепенно. Во многом благодаря именно этому свойству кварцевое, или силикатное, стекло нашло столь широкое применение в промышленности.

Структура кварцевого стекла

Аморфность материала объясняется его структурой, основу которой составляют кремниево-кислородные тетраэдры. Молекулы SiO 2 «связываются» друг с другом благодаря взаимному притяжению атомов кислорода.

Вместе они образуют трехмерные сетки, несмотря на то, что строгого порядка в расположении молекул друг относительно друга нет. Именно поэтому кварцевые стекла обладают свойствами аморфных материалов.

Как и обычное, получают путем плавления исходного сырья. В качестве такого может использоваться чистый кремнезем - горный хрусталь, жильный песок, а также оксид кремния, полученный искусственным путем.

Отличия кварцевого стекла от обычного

В зависимости от выбранного типа сырья определяют и некоторые свойства конечного продукта. Так, для получения кристально чистого и прозрачного материала используют горный хрусталь.

Основным отличием силикатного стекла от обычного является высокая температура плавления - более 1500 С о. При этом оксид кремния начинает испускать интенсивное световое излучение в видимом спектре, то есть начинает светиться.

Ввиду аморфной структуры сырья процесс плавления может продолжаться значительное время. Расплавленный состав отличается высокой вязкостью, что не позволяет его стапливать или перемещать. Это затрудняет производство кварцевого стекла с одинаковой толщиной стенок.

Особенности производства

Ввиду всех перечисленных особенностей производство силикатного стекла возможно только на специализированном оборудовании. В плавильнях должна поддерживаться высокая температура, а для создания стеклянных изделий необходимо поддержание струи открытого пламени температурой 1800 С о и выше.

Предъявляются специальные требования и к производственному помещению - оно должно быть стерильным. Незначительное количество чужеродных частиц неминуемо приведет к тому, что готовые кварцевые стекла в скором времени растрескаются и потеряют свои свойства.

Особыми качествами должны обладать и сотрудники производства - стеклодувы. Им приходится иметь дело с экстремально высокими температурами - одна ошибка во время работы может привести к серьезным травмам, ожогам.

Все основные инструменты стеклодува изготовлены из жаропрочных материалов - гранита, вольфрама, которые, помимо прочего, отличаются большим весом. Поэтому сотрудники должны быть физически сильными и выносливыми.

Свойства кварцевого стекла

Силикатное стекло обладает низкими показателями электропроводности, поэтому оно часто используется как диэлектрик в сложных электроприборах. Главные полезные свойства, коими обладают кварцевые стекла, можно разделить на три группы:

1. Термические. Устойчивость к высоким температурам (1200 С о), высокий коэффициент температурного расширения (в 15 раз выше, чем у обычного стекла), чем обуславливается стойкость к резким и значительным температурным колебаниям (на производстве продукцию охлаждают струей ледяной воды).
2. Химические. Стекло химически нейтрально, не вступает в реакцию со всеми щелочами и кислотами, кроме фосфорной и плавиковой кислоты (реакция начинается при температуре выше 300 С о).
3. Оптические. Показатель преломления кварцевого стекла в 150 раз ниже, чем у обычного (n e =1,46). Благодаря этому оно безупречно пропускает не только солнечный и обычный свет, но и не задерживает ни инфракрасное, ни ультрафиолетовое излучение.

Все эти свойства позволяют использовать кварцевое стекло в качестве строительного материала, а также для производства лабораторной посуды, оптических приборов, электрооборудования, термостойких огнеупорных материалов. Одна из основных сфер его применения - изготовление оптических волокон.

Оптическое кварцевое стекло

В зависимости от примененной при производстве технологии кварцевое стекло может быть непрозрачным и прозрачным. В первом случае в его структуре будет присутствовать большое количество пузырьков газа, которые интенсивно рассеивают свет.

Прозрачное стекло, или стекло кварцевое оптическое, как его еще называют, абсолютно однородно, не содержит пузырьков. Благодаря этой особенности материал используется при производстве высокоскоростной передачи данных, оптических линз и призм.

Марки и серии оптического стекла

Различают несколько марок КУ-1, КИ, и КВ. Продукция отличается между собой способностью пропускать видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Самым прозрачным является стекло марки КИ - оно способно пропускать свет при длине волны 2600-2800 нм, наименее прозрачное - КВ.

В зависимости от используемого сырья различные светопропускные способности может иметь оптическое стекло кварцевое. ГОСТ 15130-86 содержит сведения о трех сериях:

• 0 - материал, используемый при обычных эксплуатационных условиях;
• 100 - стекло, устойчивое к ионизирующему излучению незначительной силы;
• 200 - сырье, которое допускается использовать в условиях интенсивного ионизирующего излучения.

Марка и серия стекла образуют шифр продукции. Он наносится на производстве и определяет конкретный вид стекла. В нашей стране нет единой системы шифрования, поэтому каждое предприятие обозначает свою продукцию по своему разумению.

Область применения

Из силикатного стекла изготавливается большое количество разнообразной продукции. В научных и производственных лабораториях востребованы трубки из кварцевого стекла, которые используются для замеров уровня жидкости, изготовления электронагревательных приборов, проведения химических реакций и хранения агрессивных веществ.

Широкое применение на производстве получило и непрозрачное стекло. Оно используется там, где необходим контроль жидких продуктов при высоких температурах и, благодаря низкой стоимости, применяется повсеместно.

Оптическое стекло применяется в судо- и ракетостроении, главным образом для производства осветительных приборов. На нефтехимических предприятиях этот материал ценится за высокую устойчивость к химическим веществам и используется для контроля агрессивных жидкостей. В самолетах им остекляют кабины, а также используют в качестве теплоизоляции.

Производители изготавливают продукцию согласно требованиям ГОСТ 22291-83. Кварцевое стекло, трубки, окна, призмы, линзы и другие изделия изготавливаются как массово, так и в индивидуальном порядке.