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.
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.

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 ГОСТ 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.

Виды стекла

Кварцевое стекло

Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты. Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния SiO 2 и является самым термостойким стеклом: коэффициент его линейного расширения в пределах 0 - 1000 °С составляет всего 6х10 -7 . Поэтому раскаленное кварцевое стекло, опущенное в холодную воду, не растрескивается.

Температура размягчения кварцевого стекла, при которой достигается динамическая вязкость 10 7 Пуаз (10 Пахс) равна 1250 °С . При отсутствии значительных перепадов давления кварцевые изделия можно применять до этой температуры. Полное же плавление кварцевого стекла, когда из него можно изготавливать изделия, наступает при 1500-1600 °С.

Известно два сорта кварцевого стекла: прозрачный кварц и молочно-матовый . Мутность последнего вызвана обилием мельчайших пузырьков воздуха, которые при плавке стекла не могут быть удалены из-за высокой вязкости расплава. Изделия из мутного кварцевого стекла обладают почти такими же свойствами, как и изделия из прозрачного кварца, за исключением оптических свойств и большей газовой проницаемости.

Поверхность кварцевого стекла обладает незначительной адсорбционной способностью к различным газам и влаге, но имеет наибольшую газопроницаемость среди всех стекол при повышенной температуре. Например, через кварцевую трубку со стенками толщиной в 1 мм и поверхностью 100 см 2 при 750 °С за один час проникает 0,1 см 3 Н 2 , если перепад давлений составляет 1 атм (0,1 МПа).

Кварцевое стекло следует тщательно предохранять от всяких загрязнений, даже таких как жирные следы от рук. Перед нагреванием кварцевого стекла имеющиеся на нем непрозрачные пятна снимают при помощи разбавленной фтороводородной кислоты, а жировые - этанолом или ацетоном.

Кварцевое стекло устойчиво в среде всех кислот , кроме HF и Н 3 РO 4 . На него не действуют до 1200 °С С1 2 и НСl, до 250 °С сухой F 2 . Нейтральные водные растворы NaF и SiF 4 разрушают кварцевое стекло при нагревании. Оно совершенно непригодно для работ с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.

Кварцевое стекло при высокой температуре сохраняет свои электроизоляционные свойства. Его удельное электрическое сопротивление при 1000 °С равно 10 6 Омхсм.

Обычное стекло

К обычным стеклам относятся известково-натриевое, известково-калиевое, известково-натриево-калиевое.

Известково-натриевое (содовое ), или натрий-кальций-магний-силикатное, стекло применяют для выработки оконных стекол, стеклотары, столовой посуды.

Известково-калиевое (поташное ), или калий-кальций-магний-силикатное, стекло обладает более высокой термостойкостью, повышенным блеском и прозрачностью; используется для выработки высококачественной посуды.

Известково-натриево-калиевое (содово-поташное ), или натрий-калий-кальций-магний-силикатное, стекло имеет повышенную химическую стойкость, благодаря смешению окислов натрия и калия; наиболее распространено в производстве посуды.

Боросиликатное стекло

Стекла с высоким содержанием SiO 2 , низким - щелочного металла и значительным - оксида бора B 2 O 3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма Корнинг гласс уоркс начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием Пирекс . Стекло марки Пирекс является боросиликатным стеклом с содержанием не менее 80% SiO 2 , 12-13% В 2 O 3 , 3-4% Na 2 О и 1-2% Аl 2 О 3 . Оно известно под разными названиями: Корнинг (США), Дюран 50, Йенское стекло G 2 0 (Германия), Гизиль , Монекс (Англия), ТС (Россия), Совирель (Франция), Симакс (Чехия).

В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2-5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике.

Температура размягчения стекла «пирекс» до динамической вязкости в 10 11 пуаз (10 10 Пас) составляет 580-590 °С. Тем не менее стекло пригодно для работ при температурах до 800 °С, но без избыточного давления. При использовании вакуума температуру изделий из стекла «пирекс» не следует поднимать выше 650 °С. В отличие от кварцевого стекло «пирекс» до 600 °С практически непроницаемо для Н 2 , Не, O 2 и N 2 . Фтороводородная и нагретая фосфорная кислоты, так же как и водные растворы (даже 5%-ные) КОН и NaOH, а тем более их расплавы, разрушают стекло «пирекс».

Хрустальное стекло

Хрустальные стекла (хрусталь) — высокосортные стекла, обладающие особым блеском и способностью сильно преломлять свет. Различают свинцовосодержащие и бессвинцовые хрустальные стекла.

Свинцовосодержащие хрустальные стекла — свинцово-калиевые стекла, вырабатывают с добавлением окислов свинца, бора и цинка. Характеризуются повышенным весом, красивой игрой света, мелодичным звуком при ударе; применяют для производства высококачественной посуды и декоративных изделий. Наибольшее применение имеет хрусталь с содержанием от 18 до 24% окислов свинца и 14—16,5% окиси калия (легкий).

К бессвинцовым хрустальным стеклам относятся баритовое, лантановое и др.

Баритовое стекло содержит повышенное количество окиси бария. Обладает лучшим блеском, более высокой светопреломляемостью и удельным весом по сравнению с обычными стеклами, применяют как оптическое и специальное стекло.

Лантановое стекло содержит окись лантана La 2 О 3 и лантаниды (соединения лантана с алюминием, медью и др.). La 2 О 3 повышает светопреломление. Отличается высоким качеством; применяется как оптическое .

Свойства стекла

Плотность стекла зависит от его химического состава. Плотность — отношение массы стекла при данной температуре к его объему, зависит от состава стекла (чем больше содержание тяжелых металлов, тем стекло плотнее), от характера термической обработки и колеблется в пределах от 2 до 6 (г/см 3). Плотность — постоянная величина, зная ее, можно судить о составе стекла. Наименьшей плотностью обладает кварцевое стекло — от 2 до 2,1 (г/см 3), боросиликатное стекло имеет плотность 2,23 г/см 3 , наибольшей — оптические стекла с высоким содержанием окислов свинца — до 6 (г/см 3). Плотность известково-натриевого стекла составляет около 2,5 г/см 3 , хрустального — 3 (г/см 3) и выше. Табличным значением плотности стекла является диапазон от 2,4 до 2,8 г/см 3 .

Прочность . Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм 2 . На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и B 2 O 3 значительно повышают прочность, РbО и Al 2 O 3 в меньшей степени, MgO, ZnO и Fe 2 O 3 почти не изменяют ее. Из механических свойств стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5—10 кгс/мм 2 , т. е. в 15—20 раз меньше, чем на сжатие. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.

Твердость стекла, как и многие другие свойства, зависит от примесей. По шкале Мооса она составляет 6-7 ед, что находится между твёрдостью апатита и кварца. Твердость различных видов стекла зависит от его химического состава. Наибольшую твердость имеет стекло с повышенным содержанием кремнезема — кварцевое и боросиликатное . Увеличение содержания щелочных окислов и окислов свинца снижает твердость; наименьшей твердостью обладает свинцовый хрусталь.

Хрупкость — свойство стекла разрушаться под действием ударной нагрузки без пластической деформации. Сопротивление стекла удару зависит не только от его толщины, но и от формы изделия, наименее устойчивы к удару изделия плоской формы. Для повышения прочности к удару в состав стекла вводят окислы магния, алюминия и борный ангидрид. Неоднородность стекломассы, наличие дефектов (камней, кристаллизации и других) резко повышают хрупкость. Сопротивление стекла удару увеличивается при его отжиге. В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Данное свойство может быть отражено удельной ударной вязкостью. Как и в предыдущих случаях, изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу. На хрупкость, стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол B 2 O 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO хрупкость незначительно понижается.

Прозрачность - одно из важнейших оптических свойств стекла. Определяется отношением количества прошедших через стекло лучей ко всему световому потоку. Зависит от состава стекла, обработки его поверхности, толщины и других показателей. При наличии примесей окиси железа прозрачность уменьшается.

Термостойкость стекла характеризуется его способностью выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры и является важным показателем качества стекла. Зависит от теплопроводности, коэффициента термического расширения и толщины стекла, формы и размеров изделия, обработки поверхности, состава стекла, дефектов. Термостойкость тем выше, чем выше теплопроводность и ниже коэффициент термического расширения и теплоемкость стекла. Толстостенное стекло менее термостойко, чем тонкое. Наиболее термостойко стекло с повышенным содержанием кремнезема, титана и бора. Низкую термостойкость имеет стекло с высоким содержанием окислов натрия, кальция и свинца. Хрусталь менее термостоек, чем обычное стекло. Термостойкость обыкновенного стекла колеблется в пределах 90—250 °С, а кварцевого : 800—1000°С. Отжиг в специальных печах повышает термостойкость в 2,5—3 раза.

Теплопроводность — это способность материала, в данном случае стекла, проводить тепло без перемещения вещества этого материала. У стекла коэффициент теплопроводности равен 1-1,15 Вт/мК.

Тепловое расширение — это увеличение линейных размеров тела при его нагревании. Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5·10 -7 до 200·10 -7 . Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — 5,8·10 -7 . Величина коэффициента термического расширения стекла в значительной степени зависит от его химического состава. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше коэффициент термического расширения. Тугоплавкие окислы типа SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, а также B 2 O 3 , как правило, понижают коэффициент термического расширения.

Упругость — способность тела возвращаться к своей первоначальной форме после устранения усилий, вызвавших деформацию тела.

Упругость характеризуется модулем упругости. Модуль упругости — величина, равная отношению напряжения к вызванной им упругой относительной деформации. Различают модуль упругости при осевом растяжении — сжатии (модуль Юнга, или модуль нормальной упругости) и модуль сдвига, характеризующий сопротивление тела сдвигу или сколу и равный отношению касательного напряжения к углу сдвига.

В зависимости от химического состава модуль нормальной упругости стекол колеблется в пределах 4,8х10 4 ...8,3х10 4 , модуль сдвига —2х10 4 —4,5х10 4 МПа. У кварцевого стекла модуль упругости составляет 71,4х10 3 Мпа. Модули упругости и сдвига несколько повышаются при замене SiO 2 на СаО, B 2 O 3 , Al 2 O 3 , MgO, ВаО, ZnO, PbO.

Свойства стекла производства Corning

Код стекла		0080	7740	7800	7913	0211
Тип		Силикатное	Боро-силикатное	Боро-силикатное	96% Силиката	Цинково-титановое
Цвет		Прозрачное	Прозрачное	Прозрачное	Прозрачное	Прозрачное
Термическое расширение (умножать на 10-7 см/см/°С)	0-300 °С	93,5	32,5	55	7,5	73,8
	25 °С, до темп. застывания	105	35	53	5,52	-
Верхний предел рабочей темп. для отожженого стекла (для механических свойств)	Норм. эксплуатация, °С	110	230	200	900	-
	Экстрем. эксплуатация, °С	460	490	460	1200	-
Верхний предел рабочей темп. для закаленного стекла (для механических свойств)	Норм. Эксплуатация, °С	220	260	-	-	-
	Экстрем. эксплуатация, °С	250	290	-	-	-
	6,4 мм толщиной, °С	50	130	-	-	-
	12,7 мм толщиной, °С	35	90	-	-	-
Термостойкость, °С		16	54	33	220	-
Плотность, г/см3		2,47	2,23	2,34	2,18	2,57
Коэффициент оптической чувствительности по напряжениям, (нм/см)/(кг/мм2)		277	394	319	-	361