پارامترهای انتخاب شیشه کوارتز چیست ؟

شیشه کوارتز ، شیشه‌ای است با محتوای بسیار بالای سیلیس خالص (SiO2 ≥ 99.9٪) که از موادی مانند کوارتزیت و کریستال‌های سنگی استخراج می‌شود. این شیشه در برابر آب و اسیدهای قوی (به جز اسید هیدروفلوئوریک) مقاوم است، اما مقاومت کمتری در برابر بازها در مقایسه با سایر انواع شیشه دارد. شیشه کوارتز نقطه ذوب بالا و ضریب انبساط حرارتی پایینی دارد که آن را در برابر تغییرات ناگهانی دما (مقاومت در برابر شوک حرارتی) مقاوم می‌سازد. این ماده، نور فرابنفش و مادون‌قرمز را از خود عبور می‌دهد. دامنه و سطح عبور نور به افزودنی‌های مورد استفاده در ذوب بستگی دارد.

بر اساس فرآیند فناوری (فرآیند ذوب)، انواع شیشه کوارتز به شرح زیر تفکیک می‌شوند:

•  کوارتز طبیعی: به دلیل محتوای ناخالصی و عناصر کمیاب پایین، برای کار در دمای بالا (بیش از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس) و همچنین برای کاربردهای نیازمند عبور نور از محدوده فرابنفش تا مادون‌قرمز مناسب است.
• کوارتز مصنوعی: با استفاده از پیرولیز در ذوب شیشه، ماده‌ای همگن با عبوردهی مناسب برای تابش فرابنفش (از ۱۷۰ نانومتر) به دست می‌آید.

پارامتر مهم در انتخاب نوع مناسب شیشه کوارتز، عبوردهی تابش الکترومغناطیسی است. انواع مختلف شیشه، به درجات متفاوت، محدوده‌های مختلفی از تابش را از خود عبور می‌دهند. نمودار زیر توزیع محدوده‌ها و زیرمحدوده‌های طیف تابش الکترومغناطیسی را در رابطه با مادون‌قرمز و فرابنفش نشان می‌دهد.

با توجه به کاربرد، باید شیشه کوارتزی انتخاب شود که یا اوزون تولید می‌کند (محدوده VUV) یا اثر باکتری‌کشی دارد (محدوده UV-C). محدوده‌های نزدیک و میانی مادون‌قرمز (NIR و MIR) برای گرمایش و خشک‌کردن استفاده می‌شوند. شیشه کوارتز بسته به نوع آن، به خوبی تابش در محدوده UV-C تا MIR (تقریباً از ۱۰۰ نانومتر تا ۳۵۰۰ نانومتر) را از خود عبور می‌دهد. نمودار عبوردهی تابش الکترومغناطیسی (نور) برای هر یک از این انواع شیشه کوارتز در زیر نشان داده شده است.

مقایسه ویژگی‌های شیشه‌های خانواده JGS

شیشه‌های کوارتز JGS-1، JGS-2 و JGS-3 عمدتاً از نظر محدوده تابش الکترومغناطیسی که از خود عبور می‌دهند، متفاوت هستند:

•  شیشه JGS-1: این نوع، تابش فرابنفش را عبور می‌دهد و عملاً عاری از حباب و ناخالصی است. محدوده کاربرد آن از ۱۷۰ نانومتر تا ۲۵۰۰ نانومتر است. این شیشه، محدوده ۲۸۰۰ – ۲۶۰۰ نانومتر را عبور نمی‌دهد و تابش مادون‌قرمز را تضعیف می‌کند.
•  شیشه JGS-2: این شیشه، عبوردهی خوبی به نور مرئی و فرابنفش دارد و ممکن است حاوی مقادیر کمی حباب و ناخالصی باشد. ماده‌ای مناسب برای استفاده در محدوده ۲۲۰ نانومتر تا ۲۵۰۰ نانومتر است. محدوده ۲۸۰۰ – ۲۶۰۰ نانومتر را از خود عبور نمی‌دهد.
•  شیشه JGS-3: این نوع، تابش مادون‌قرمز را به خوبی عبور می‌دهد و برای کاربردهای در محدوده ۲۶۰ نانومتر تا ۳۵۰۰ نانومتر، ماده‌ای مناسب محسوب می‌شود.

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی این شیشه‌ها مشابه بوده و در ادامه آورده شده‌اند.

 ویژگی‌های شیشه‌های کوارتز JGS-1، JGS-2 و JGS-3:

خواص شیمیایی

مقاومت در برابر هیدرولیز:

• • مطابق استاندارد ISO 719 (دمای ۹۸ درجه سلسیوس): رده HGB 1
  • مطابق استاندارد ISO 720 (دمای ۱۲۱ درجه سلسیوس): رده HGA 1
• مقاومت در برابر قلیا:
  • مطابق استاندارد DIN 52 322 (بر اساس ISO 695): رده A2
• مقاومت در برابر اسید:
  • مطابق استاندارد DIN 12 116: رده 1

خواص الکتریکی

 مقاومت الکتریکی:

• در دمای ۲۰ درجه سلسیوس: ۱۰¹⁶ اهم-سانتی‌متر
• در دمای ۴۰۰ درجه سلسیوس: ۱۰⁸ اهم-سانتی‌متر
• در دمای ۸۰۰ درجه سلسیوس: ۱۰⁴ × ۶/۳ اهم-سانتی‌متر
• در دمای ۱۲۰۰ درجه سلسیوس: ۱۰³ × ۱/۳ اهم-سانتی‌متر

خواص دی‌الکتریک:

• در دمای ۲۵ درجه سلسیوس و فرکانس ۱ مگاهرتز:
• ثابت دی‌الکتریک (εr): ۳/۷ تا ۳/۹
• تانژانت تلفات (tgδ): ۱۰⁻⁴

در اصطلاح‌شناسی نام شیشه کوارتز، عناوین مختلف زیادی به کار می‌رود. در سند زیر (آماده دریافت) برخی از این اصطلاحات را بررسی کرده و مهم‌ترین اطلاعات مربوط به ویژگی‌ها و حوزه‌های کاربردی شیشه‌های گروه JGS-x را در اختیار شما قرار می‌دهیم.

شیشه کوارتز JGS-1

شیشه JGS-1 (سیلیکای کوارتز مصنوعی) معادل محصولات زیر است:

سوپراسیل ۱ و ۲ (هرایوس)، اسپکتروسیل A و B (سن-گوبن)، کورنینگ ۷۹۴۰ (کورنینگ)، دیناسیل ۱۱۰۰ و ۴۱۰۰ (دیناسیل). این شیشه از سیلیکای مصنوعی با خلوص بسیار بالا (SiO₂ بیش از ۹۹/۹۹۹۹٪) ساخته شده است.

شیشه کوارتز بی‌رنگ، ضریب انبساط حرارتی پایین را با خواص نوری مطلوب و قابلیت عبوردهی عالی در محدوده فرابنفش ترکیب می‌کند. شیشه JGS-1 برای نور فرابنفش و مرئی شفاف است، اما به دلیل وجود گروه‌های هیدروکسیل (OH) به عنوان ناخالصی، عبوردهی پایینی در محدوده فروسرخ (طول‌موج‌های ۱/۴، ۲/۲ و ۲/۷ میکرومتر) دارد.

این شیشه در محدوده طول‌موج از فرابنفش عمیق تا نور مرئی کاربرد دارد (عدسی‌های لیزری، پنجره‌های نوری، منشورها، سلول‌های خورشیدی و غیره). شیشه JGS-1 عملاً عاری از حباب و ناخالصی می‌باشد.

 شیشه کوارتز JGS-2

شیشه کوارتز JGS-2 (کوارتز ذوب‌شده) معادل محصولات زیر است:

GE214، شیشه‌های هوموسیل ۱، ۲ و ۳ (هرایوس)، دیناسیل ۱۰۰۰، ۴۰۰۰، ۵۰۰۰ و ۶۰۰۰ (دیناسیل). این شیشه از سیلیکای طبیعی با خلوص بالا (SiO₂ بیش از ۹۹/۹۹٪) مانند ماسه و کریستال ساخته می‌شود. این ماده قابلیت عبوردهی مطلوبی برای نور مرئی و فرابنفش دارد و برای استفاده در محدوده ۲۲۰ نانومتر تا ۲۵۰۰ نانومتر مناسب است. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن مشابه شیشه JGS-1 می‌باشد و ممکن است حاوی مقدار کمی حباب و ناخالصی باشد.

شیشه JGS-2 در کاربردهایی استفاده می‌شود که معیار اصلی، توانایی عملکرد در دماهای بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی است. متداول‌ترین موارد کاربرد عبارتند از:

• اپتیک
• تجهیزات دما-بالا
• پنجره‌های دید شیشه‌ای
• لام‌های میکروسکوپ
• تجهیزات آزمایشگاهی

 شیشه کوارتز JGS-3

شیشه کوارتز JGS-3 (کوارتز نوری فروسرخ) معادل شیشه سوپراسیل 300 شرکت هرایوس است. این ماده از سیلیکای مصنوعی با خلوص بالا ساخته شده و خواص فیزیکی عالی را با ویژگی‌های نوری برجسته ترکیب می‌کند. این شیشه در محدوده طیفی وسیعی از فرابنفش عمیق تا فروسرخ کامل، شفاف است و از قابلیت عبور نور فوق‌العاده‌ای برخوردار می‌باشد. کاربرد اصلی آن در محدوده فروسرخ است، اما در کاربردهایی که نیاز به طیف وسیعی از طول‌موج از فرابنفش تا فروسرخ دارند نیز استفاده می‌شود.

شیشه JGS-3 در محدوده طول‌موج 260 نانومتر تا 3500 نانومتر به کار می‌رود.

محصولات ساخته شده از کوارتز JGS-3 در ابعاد زیر قابل ارائه هستند:

• صفحات به ابعاد حداکثر 200×300 میلی‌متر و ضخامت 1 تا 5 میلی‌متر
•  دیسک‌هایی با قطر حداکثر 200 میلی‌متر و ضخامت تا 10 میلی‌متر
• سایر ابعاد و اندازه‌ها نیز بر اساس درخواست قابل تولید می‌باشند.

شیشه کوارتز شیری (کدر)

شیشه کوارتز شیری JGSM

کدریِ شیشه کوارتز با تزریق هوا در طی فرآیند ذوب ماسه سیلیسی ایجاد می‌شود. در دمای حدود ۲۰۰۰ درجه سلسیوس، ماده‌ای شیشه‌ای با حباب‌های فراوان تولید می‌گردد که باعث پراکندگی نور و ایجاد خاصیت کدری در ماده می‌شود.

کیفیت این ماده توسط سه عامل تعیین می‌شود:

یکنواختی توزیع حباب‌ها، اندازه و شکل آن‌ها.

حضور تعداد زیادی حباب ریز (حدود ۱۰ میکرومتر) اثر پراکندگی نور و کدری بهتری ایجاد می‌کند در مقایسه با حباب‌های بزرگ و کم‌تعداد (مثلاً ۱۵۰-۵۰ میکرومتر) – که به ویژه در ضخامت‌های کم، اثر کدری ضعیف‌تری دارند.

شیشه کوارتز شیری که با نام‌های شیشه کوارتز کدر یا شیشه کوارتز ساتن نیز شناخته می‌شود، به دلیل پراکندگی تابش در ریزحفره‌هایش، دارای ویژگی‌های زیر است:

• عایق حرارتی بسیار خوب
• مسدودکننده تابش فروسرخ (IR)
• دارای ساختار ریزمتخلخل با چگالی بالا و سطح صاف
• قابلیت ماشین‌کاری با هزینه معقول

این ماده کدر است و می‌تواند در دماهای بالا (دمای کاری مداوم تا ۱۱۰۰ درجه سلسیوس) و محیط‌های شیمیایی خورنده مورد استفاده قرار گیرد.

تخلخل پایین این ماده باعث می‌شود خواصی مشابه کوارتز ذوب‌شده داشته باشد، در حالی که امکان جوشکاری گازی بدون جمع‌شدگی ماده و ایجاد سطحی یکدست و بدون درز فراهم می‌شود. همچنین می‌توان آن را با کوارتز شفاف نیز ترکیب کرد.

در صورت اعمال پرداخت سطحی با شعاع (Flame Polishing)، ریزحفره‌های سطحی بسته می‌شوند و یک سطح تمیز و صاف ایجاد می‌گردد. در این فرآیند اثر “پوست پرتقالی” نیز ایجاد نمی‌شود.

این پرداخت علاوه بر بهبود ظاهر، دو مزیت کلیدی دارد:

۱. امکان استفاده از واشرهای نازک در کاربردهای خلاء

۲. افزایش مقاومت ماده در برابر اسید هیدروفلوئوریک (HF)

سطح پرداخت‌شده با شعاع، حتی پس از تماس طولانی‌مدت با اسید HF نیز صاف باقی می‌ماند.

مزایای این ماده:

• عایق حرارتی عالی
• مسدودکننده پرتوهای فرابنفش و فروسرخ
• دمای کاری حداکثری بالا
• سطح بسیار صاف و یکدست
• خلوص شیمیایی بالا
• مقاومت شیمیایی بالا
• مقاومت مکانیکی خوب
• عدم جمع‌شدگی در هنگام پرداخت با شعاع
• قابلیت جوشکاری آسان با کوارتز شفاف
• قابلیت آب‌بندی آسان در کاربردهای فشار بالا
• 5% مقاومت در برابر اسید هیدروفلوئوریک

کاربردهای تخصصی که نیازمند مقاومت شیمیایی و حرارتی بالاتر، serta پراکندگی نوری یکنواخت و قابل اطمینان هستند، باید بر پایه استفاده از مواد تولیدی سازندگان شناخته‌شده‌ای همچون هرائوس (OM100، RotoSil OFM 70، OFM 370، 970 OFM OSC) یا مومنتیو (GE514، GE544) طراحی شوند.