Отличия кварцевого стекла от обычного. Маркировка оптического стекла

Очарование лабораторного кварца July 5th, 2014

Если вы работали в лаборатории, то скорее всего привыкли к тому, что лабораторное стекло сделано из кварца. Однако, вероятно вы даже не догадывались о причине того, почему это стекло настолько прочное, что делает его не менее сложным для производства. Поэтому взгляните на эти чудесные gif от Global Research, которые демонстрируют очарование кварца.

Немного информации:

данное лабораторное стекло может выдерживать безумную температуру и химические реакции именно потому, что состоит из чистого кварца. Это значит, что оно не содержит всех тех примесей, которые есть в обычном стекле, что делает его легким для формирования при более низких температурах. Вместо этого, лабораторные стекляшки являются чем-то вроде кристалла кварца, которому придали определенную форму. А значит, чтобы сформировать его, требуется температура более 1600 градусов Цельсия.

Стекло кварцевое — однокомпонентное силикатное стекло, изготавливаемое путем плавления горного хрусталя, жильного или оптического кварца, кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния

Кварцевая стекломасса демонстрирует крайне узкий интервал размягчения и отличается высокой вязкостью, за счет чего и показатели вязкости готового кварцевого стекла даже при температуре порядка 2000º С более чем в 100 раз превышают показатели вязкости многокомпонентных стекол. Помимо вязкости, стекло кварцевое характеризуется:

Высокой пробивной напряженностью и практически не имеет потерь в широком диапазоне частот;
- малой диэлектрической проводимостью;
- высоким уровнем светопропускания в широкой области спектра, начиная с короткой УФ области до середины ИК (от 160 до 3500 мм).

Кварцевое стекло является одним из лучших изоляционных материалов, благодаря чему изделия из кварцевого стекла находят широкое применение в электротехнической, светотехнической, оптической, медицинской и других отраслях. Особого внимания заслуживают превосходные электроизоляционные свойства кварцевого стекла при повышенной температуре, что обуславливает востребованность в радиоэлектронной промышленности такого типа стекла как электровакуумное стекло.

Стекло кварцевое: виды кварцевого стекла и области его применения

Величину электропроводности и другие свойства кварцевого стекла определяют имеющиеся в нам примеси (Na+, К+, Li+)., за счет чего стекло кварцевое делится на следующие виды:

Непрозрачное кварцевое стекло — изготовление ведется из чистого кварцевого или жильного песков. Изделия из непрозрачного кварцевого стекла используются для комплектации термостойкой лабораторной аппаратуры, муфелей для электрических печей, чехлов для термопар и стеклобруса.

Прозрачное техническое стекло получают путем плавления горного хрусталя или синтетического диоксида кремния. Данный вид стекло обладает высокой прозрачностью и минимальным коэффициентом светопреломления, за счет чего прозрачное техническое кварцевое стекло применяется для комплектации лабораторного оборудования, радиоаппаратуры и получения стекловолокна.

Оптическое кварцевое стекло, изготовление которого осуществляется из специального оптического кварца. Оптический кварц обладает высокой степенью химической чистоты, что в свою очередь обеспечивает оптическому стеклу уникально высокую степень светопропускания;

Особо чистое стекло — кварцевое стекло с минимальным содержанием пузырьков, включений и повышенным светопропусканием, включая ИК область спектра. Столь уникальные свойства обуславливают возможность использования особо чистого кварцевого стекла в оптоволоконной технике, микроэлектронике, системах аэрокосмической навигации и высококачественных оптических приборах.

Керамическое стекло, обладающее высокой термической и радиационной стойкостью, кислотоустойчивостью и радиопрозрачностью, используется для производства широкого ассортимента огнеупорных изделий.

Легированное стекло — кварцевое стекло с легирующими добавками в составе.

Это материал, который получается в результате воздействия высоких температур на оксид кремния. От традиционного стекла его отличает аморфное состояние (нет точной температуры плавления), которое определяет основные свойства продукта. Невозможно найти конкретную точку плавления, а переход из твердого состояния в жидкое у кварцевого стекла происходит под воздействием высоких температур плавно, постепенно. Другое отличие - пропускать не только свет, но также ультрафиолет и инфракрасные лучи. Наука объясняет это особенностью пространственной структуры молекул SiO 2 и кислородной связкой между ними.

Как получают

Исходным сырьем служат:

кварц каменного происхождения;
горный хрусталь;
кварцевый песок;
SiO 2 (оксид кремния) от искусственного производства.

Для изготовления используют специальное оборудование, способное поддерживать температуру плавления выше 1500 градусов. А чтобы создать изделия из кварцевого стекла, необходимо иметь направленное пламя в 1800°C и больше. В цеху нужно поддерживать абсолютную чистоту, больше того - стерильность. Поскольку даже минимальное количество пыли или других частиц обязательно приведет к тому, что продукт потеряет свои лучшие свойства. К работе допускаются только специально обученные люди, прошедшие аттестацию. Весь инструментарий стеколодувов изготавливается из жаростойких материалов. Обычно используют гранит, вольфрам.

Процесс производства должен быть организован так, чтобы на выходе получить продукцию в соответствии с требованиями ГОСТ 22291-83. На конечный результат влияет не столько способ производства, сколько применение качественного сырья. Продукт может получиться совершенно прозрачным, если для его изготовления брали чистый горный хрусталь. Из другого сырья выходит стекло матовое или с наличием большого количества газовых пузырьков.

Помимо прозрачного и матового стекла производят еще цветное. Когда в процессе производства плавится основное сырье, к нему добавляют оксид какого-либо цветного металла. Производное железа дает синий цвет, а добавка свинца превращает в хрусталь.

Полезные качества материала

Основные преимущества можно объединить в три категории:

Тепловая. Материал весьма устойчив к температурам порядка 1200 градусов. Коэффициент температурного расширения у силикатного стекла в 13-15 раз выше, чем у обыкновенного. Этим объясняется его устойчивость в резким перепадам температур.
Химическая. Кварцевое стекло никак не реагирует на воздействие кислот и щелочей. Исключение составляют фосфорная и плавиковая кислоты. Но они начинают взаимодействовать только при температуре больше 300 градусов.
Оптическая. Продукт имеет слишком низкий коэффициент преломления. Этот показатель у простого стекла в 150 раз выше, чем у силикатного. Поэтому сквозь него безукоризненно проходит не только обычный свет, но также ультрафиолет и инфракрасные лучи.

Маркировка оптического стекла

Гост 15130-86 предлагает разделить силикатные стекла следующим образом:

Серия 0 предполагает применение в обычных условиях.
Серия 100 - обозначение для материала, способного работать при ионном излучении малой силы;
Серия 200 - это стекло имеет свойства, выдерживающие интенсивное ионизирующее излучение.

Помимо этого, предлагается маркировка по величине способности пропускать ультрафиолет и инфракрасное излучение. Так:

маркой КУ-1 обозначают изделия прозрачные, устойчивые к радиации;
КУ-2 - прозрачное стекло в видимой части ультрафиолета, имеет слабое поглощение волн 170 -250 Нм;
КВ - оптическое стекло этой марки отличает высокая однородность, прозрачность;
КУВИ - нелюминисцирует, обладает высокой стойкостью к радиации.

Область использования

Благодаря своим свойствам силикатное стекло нашло применение в строительстве, из него делают лабораторную посуду, оптические приборы, детали электрообрудования. Материал применяют при изготовлении огнеупорных изделий. Также сырье незаменимо для изготовления стекла кварцевого смотрового. Оно необходимо для наблюдения за сложными технологическими процессами внутри установок, действующих под высокими температурами и давлением.

Однако основной сферой использования считается производство оптического волокна. Для его производства берут только высококачественный материал, так называемое оптическое кварцевое стекло. Однородное и совершенно прозрачное, пропускающее ультрафиолет. Сегодня этот материал используется практически повсеместно. Из него делают прочные оптические кабели для передачи данных на высоких скоростях, оптические линзы и призмы.

Матовое кварцевое стекло также востребовано. Его свойства и довольно низкая цена делают материал особенно применимым во многих сферах жизнедеятельности человека. Это осветительные приборы и окна для судов, самолетов и ракет. В нефтехимии, на высокотемпературных производствах материал ценят за его устойчивость к агрессивным средам.

Научные и промышленные лаборатории не могут нормально работать без прозрачной посуды из кварцевого стекла. Она нужна для проведения химических опытов с различными реагентами, в том числе агрессивными. Особенно востребованы трубки для замеров уровней различных жидкостей, хранения кислот и щелочей. Они применяются в электронагревательных приборах. Во всех случаях большое значение имеют свойства силикатного материала выдерживать высокие температурные режимы и стойкость к агрессии многих препаратов, а также способность пропуска ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Особенности производства позволяют выпускать не только промышленные и бытовые изделия для практических целей, но также декоративные предметы.

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.

В нашем мире подавляющее большинство предметов изготавливается из 5-6 основных материалов, которые представляют собой конечный продукт или сырье для дальнейшего производства. К таким веществам, без преувеличения, можно отнести стекло. Оно входит в состав очень многих приборов и предметов, так что его роль трудно переоценить.

Распространенное применение сделало предпосылки для создания разнообразных марок, которые могли бы использоваться в любых сферах. Кварцевое стекло представляет собой материал, получаемый чистым переплавлением горного хрусталя или кремнезема. Таким способом получается изготовить отличное огнеупорное стекло, стойкое не только к температурной среде, но и к воздействию химических реактивов.

Кварцевое стекло по ГОСТу 15130-86 должно обладать определенными характеристиками, которые позволили бы ему выполнять возложенные функции. Все параметры были получены путем тщательных вычислений и лабораторных анализов. В основе каждого государственного стандарта лежит забота о безопасности, так что не стоит пренебрегать этими рекомендациями.

В документе установлены довольно жесткие пределы, в которых может изменяться то или иное значение. При несоответствии хотя бы одного критерия, стекло не может быть допущено к использованию. Поэтому все производители проходят через процедуру контроля качества, в результате которой им выдают сертификат и лицензию, дающую право на ведение коммерческой деятельности в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.

Изготовление кварцевого стекла с технологической точки зрения является довольно простым процессом. Намного сложнее будет найти для него высококачественное сырье, так как итоговый результат будет напрямую зависеть от используемых компонентов.

Здесь это проявляется особенно четко, так как в качестве основного ингредиента применяется лишь одно сырье, а значит, его качество практически полностью перейдет на конечный продукт. Улучшить какие-либо параметры при помощи добавления примесей не получится, так как тогда это уже будет совсем другая марка стекла. Поэтому самые лучшие виды кварцевого стекла можно получить только из наиболее чистого горного хрусталя без примесей.

Производство материала

Процесс производства кварцевого стекла состоит из нескольких технологических этапов:

1. Вначале подготавливается сырье. Для этого горный хрусталь, кремнезем, кварцевый песок для стекла, а иногда и битые изделия, тщательно измельчают до порошкового состояния. Делается это при помощи пресса, который под давлением крошит все перечисленные компоненты, которые складываются в общую емкость.
2. Далее происходит плавление порошка в специальных печах, с присутствием во внутренней камере графитового тигля. Используются исключительно электрические печи и безвоздушное пространство, чтобы ничего лишнего не опало в состав.
3. Далее расплавленная масса проходит процедуры стабилизации и охлаждения под соответствующим давлением. Это позволяет ему набрать необходимые свойства.
4. После этого следует процесс контроля качества и отправка изделия на склад. В дополнительной закалке или обработке стекло уже не нуждается.

Несмотря на простоту процесса, требуется тщательное соблюдение всех условий. Нарушение может привести к сбою всего механизма, и тогда придется отправлять полученный продукт на утилизацию. Разнообразные изделия из кварцевого стекла используются в основном в химических лабораториях.

Этому способствует высокая стойкость к агрессивным средам, что дает возможность проводить различные опыты и хранить опасные вещества с минимальным риском их утечки. Также небольшие вставки из стекол данного типа применяют при производстве линзы Френеля. В качестве сырья может входить в состав огнеупорных строительных материалов.

Свойства и применение

Возможность использования материала для той или иной цели определяется его техническими характеристиками. Именно благодаря знанию этих значений можно делать осознанный выбор. В принципе, данный тип материала имеет очень узкую направленность, поэтому многие потребители вообще не знают, что он из себя представляет. В этом нужно разбираться лишь химикам и рабочим, занятым в непосредственном изготовлении продукции.

Свойства кварцевого стекла несколько отличаются от стандартных:

- обладает минимальным преломлением среди всех стекол на основе оксида кремния, соответственно имеет самое лучшее светопропускание;
- обладает отличной термической стойкостью, недоступной другим стеклам;
- проявляет диэлектрические свойства, так что может служить изолятором.

Виды стекла

Существует две разновидности, непрозрачное и прозрачное кварцевое стекло. Этот параметр определяется количеством газовых пузырьков в структуре материала. Чем их будет больше, тем меньше прозрачность. В ходе плавления контролировать процесс их образования невозможно, поэтому конечный результат зависит только от выбора сырья.

Например, оптическое кварцевое стекло получают плавлением исключительно чистого горного хрусталя без добавления другого сырья. На выходе получается однородное стекло вообще без видимых признаков наличия пузырьков газа в своей структуре.

Цена кварцевого стекла зависит от типа изделия. В листовом видео оно не продается по причине отсутствия такой необходимости. Что касается продукции из стекла, то стоит она в районе тысячи рублей.

В число услуг нашей компании входит производство кварцевого стекла . Однокомпонентный силикатный материал, в состав которого входит практически один кремнезем, изготовляется плавлением его природных разновидностей - кварцевых песков, жильного кварца, горного хрусталя, двуокиси кремния синтетической. Высокое качество продукции, доступные цены - с нами удобно работать!

Производство кварцевого стекла

Мы производим кварцевое стекло двух видов - непрозрачное и прозрачное. Непрозрачный вид изготовляется с большим количеством пузырьков в материале (диаметр 0,03 - 0,3 мкм). Такой состав обеспечивает рассеивание света. Непрозрачное стекло - отличное сырье для производства термостойких огнеупорных материалов. Прозрачное стекло - результат плавление горного стекла. У него совершенно однородная структура, без содержания газовых видимых пузырьков.

Используют кварцевое стекло во многих сферах. Главным предназначением является производство таких изделий как:

лабораторная посуда
тигели
оптические приборы
изоляторы
изделия, стойкие к колебаниям температуры
Линза Френеля
огнеупорные термостойкие материалы

Кварцевое стекло | Свойства

Кварцевое стекло обладает большим количеством свойств, которыми и отличается от обычного стекла. Целый ряд преимуществ, которыми не обладают остальные материалы, делают кварцевое стекло уникальным.

Термические свойства. Стекло нечувствительно к резким изменениям температуры. Все это благодаря низкому (почти не изменяющемуся с температурой) коэффициенту термического расширения. В отличие от КТР обычного стекла, он меньше примерно в 15-20 раз. Резкое изменение температуры кварцевое стекло, поэтому, перенесет без растрескивания.

Химические свойства. Отличает кварцевое стекло кислотоупорность. Реагировать с ним могут лишь фосфорная или плавиковая кислоты. Остальные кислота совершено не действуют на материал. Поэтому он успешно применяется в случаях необходимости кислотоупорного материала. Также отличается высокой щёлочеустойчивостью.

Оптические свойства. Кварцевое стекло - одно из самых прозрачных веществ. Оно показывает очень малое поглощение света в невидимых и видимых частях спектра. Даже в очень толстых слоях практически нет никаких оттенков, поглощение падающего света у стекла очень незначительно. Очень прозрачно в инфракрасной части спектра и для ультрафиолетовых лучей.