Что такое кварцевое стекло

Содержание

Кварцевое стекло – это стекло из почти чистого диоксида кремния (SiO₂, ≥99.5%), полученное плавлением природного жильного кварца, горного хрусталя или синтетического тетрахлорида кремния SiCl₄ при температуре 1900-2000°C. В высокочистых марках для полупроводниковой промышленности содержание SiO₂ доходит до 99.9999%, а доля примесей Al, Fe, Na, K не превышает единиц ppm.

Длительная рабочая температура материала достигает 1000-1200°C, кратковременная — 1450°C. Температура размягчения по ГОСТ 15130-86 составляет 1550°C. Коэффициент линейного расширения 5.5×10⁻⁷ K⁻¹, что примерно в 15 раз ниже, чем у натрий-кальциевого оконного стекла; именно это определяет стойкость материала к термоудару и сохранение геометрии при резких перепадах.

Спектральный диапазон пропускания: от 170 нм (вакуумный УФ) до 3500 нм (ближний ИК) в зависимости от марки. ГОСТ 15130-86 разделяет оптическое кварцевое стекло на марки КУ-1, КУ-2, КВ, КИ, КУВИ и КУВ. Каждая со своим спектром, набором полос поглощения и сферой применения. Плотность плавленого кварца 2.20 г/см³, показатель преломления n_d = 1.4585 при 587.56 нм.

В англоязычной технической литературе материал известен как fused silica (синтетический) или fused quartz (из природного сырья). Те же изделия в русском обиходе называют «плавленым кварцем».

Где применяется кварцевое стекло

Боросиликатные стёкла Pyrex и Simax деформируются уже при 500°C, обычное натрий-кальциевое — при 110°C. Всё, что должно работать выше, делается из плавленого кварца: от диффузионных трубок на заводах микроэлектроники до колб ксеноновых ламп при 1000°C. Ниже отрасли с конкретными изделиями, длинами волн и мощностями.

Применение кварцевого стекла — диффузионные трубки для полупроводников, окно CO₂-лазера 8 кВт, кювета спектрофотометра UV-1800, смотровое стекло УНРС

Полупроводниковая промышленность

Чистота SiO₂ для этой отрасли 99.999–99.9999%, иначе примеси Fe и Na мигрируют в кремниевую пластину при отжиге. Из кварца делают диффузионные трубки печей окисления и легирования, держатели пластин (boats), реакторы эпитаксии и камеры травления. Тигли для метода Чохральского — расходник для вытягивания монокристаллов кремния диаметром 200–300 мм, рабочая T расплава 1420°C.

Лазерная техника

Защитные окна резонаторов и фокусирующих головок промышленных волоконных и CO₂-лазеров мощностью 2.5–8 кВт (типовые серии INNER, Oltech). Почему именно кварц, а не более дешёвое боросиликатное? Плотность мощности 5 кВт/см² разрушает любое стекло с большим ТКЛР за один импульс. Здесь работает наблюдение из практики: при поставке партий синтетического плавленого кварца контролируем содержание OH-групп в диапазоне 5–150 ppm. На высоких значениях идёт провал пропускания на длине волны 2.7 мкм (полоса колебаний O–H), и для ИК-головок такая партия не подходит. Лазерные трубки и активные элементы относятся к отдельной категории продукции.

УФ-оптика и фотохимия

Только марки КУ-1 и КУВИ работают в диапазоне 170–250 нм без полос поглощения. Из них собирают эксимерные лампы 193 нм (ArF) и 248 нм (KrF), бактерицидные источники на 185 и 254 нм, VUV-эксимеры 172 нм на ксеноне. Стекло КВ для этого диапазона непригодно: полоса поглощения 170–250 нм режет рабочий спектр.

Спектрофотометрия

Кюветы 10×10 мм для приборов Shimadzu UV-1800, Agilent Cary 60/3500, Hitachi U-серии. Рабочий диапазон кювет КУ-1 от 190 нм, КВ от 260 нм. Сюда же относятся окна детекторов и барботеры для пробоподготовки.

Металлургия и термообработка

Трубы прямые из прозрачного кварцевого стекла по ГОСТ 8680-58 (типы ТК ПТН и ТК ПТС) нормированы для кислых и нейтральных сред до 1000°C. Применение: реакторы лабораторных трубчатых печей, стаканы для установок непрерывной разливки стали (УНРС), тигли для плавки драгметаллов и редких сплавов; в каталоге — кварцевые трубки для печей и реакторов и термопарные чехлы из технической керамики на корундовой основе для предельных температур.

Энергетика и КИПиА

Смотровые стёкла тип Г для арматуры высокого давления (круглые и прямоугольные) с посадочными размерами по ГОСТ 21345-78 ставят на запорную арматуру высокого давления. В эту же группу входят указатели уровня в паровых котлах и сепараторах, водоуказательные трубки, стекло Клингера в рифлёном исполнении для аппаратов с механическими перемешивающими устройствами по ГОСТ 20680-2002.

Светотехника

Колбы галогенных, металлогалогенных и дуговых ксеноновых ламп с ресурсом при 800–1000°C на стенке. Бактерицидные и эритемные лампы используют марки с пропусканием от 185 нм. У боросиликата здесь шансов нет: вольфрамовый цикл и давление наполнения требуют запаса по T размягчения, а 820°C для Pyrex это уже область деформации.

Лабораторная посуда

Кварцевая посуда для лабораторий — тигли, стаканы, чаши, колбы и горелки из плавленого кварца применяют там, где боросиликат не проходит. Прокаливание навесок для гравиметрии, выпаривание в концентрированных HCl и H₂SO₄ при кипении, реакторы для химии высокой чистоты. Аэрокосмос и медицина (иллюминаторы, колбы хирургических лазеров) — отдельная узкая категория с теми же марками КУ-1 и КУВИ.

Физические и химические свойства

Свойства кварцевого стекла определяются почти чистым составом SiO₂ ≥99.5% и аморфной структурой без дальнего порядка. Это сочетание даёт рекордно низкий ТКЛР, прозрачность от вакуумного УФ до ближнего ИК и стойкость к сильным кислотам. Ниже сводный технический паспорт по ГОСТ 15130-86 и ГОСТ 8680-58.

Физические свойства кварцевого стекла — SiO₂ ≥99.5%, ТКЛР 5.5×10⁻⁷ K⁻¹, температура размягчения 1550°C по ГОСТ 15130-86

Термические характеристики. Длительная рабочая температура достигает 1000–1200°C, кратковременная 1450°C, размягчение по ГОСТ 15130-86 наступает при 1550°C. ТКЛР в диапазоне 20–1000°C равен 5.5×10⁻⁷ K⁻¹, примерно в 15 раз ниже, чем у натрий-кальциевого стекла. Теплопроводность 1.38 Вт/(м·К), удельная теплоёмкость 1052 Дж/(кг·К). По ГОСТ 8680-58 трубы из прозрачного кварцевого стекла со стенкой до 2.5 мм выдерживают 15-кратный термоудар по схеме 800°C → вода 20±2°C без растрескивания.

Оптические характеристики. Показатель преломления n_d = 1.4585 при длине волны 587.56 нм, число Аббе 67.8. Спектральный диапазон пропускания зависит от марки и охватывает 170–3500 нм: вакуумный УФ от 170 нм у КУ-1, ближний ИК до 3500 нм у КВ и КИ.

Механические характеристики. Микротвёрдость по Кнупу 4700–4900 МПа, модуль Юнга 73 ГПа, модуль сдвига 31 ГПа, коэффициент Пуассона 0.17. Предел прочности на сжатие 1.1 ГПа, на растяжение 50 МПа (типичная для стекла асимметрия). Плотность 2.20 г/см³ на 12–15% ниже, чем у боросиликатного.

Электрические характеристики. Удельное объёмное сопротивление при 20°C равно 10¹⁴–10¹⁶ Ом·м, что переводит материал в класс высокоомных диэлектриков. Сохраняет диэлектрические свойства до 700–800°C, выше начинает расти ионная проводимость.

Химическая стойкость. Устойчиво к HCl, H₂SO₄, HNO₃ любых концентраций при комнатной температуре. По ГОСТ 8680-58 после 3 часов кипячения потери массы не превышают 0.5 мг/100 см² в HCl плотностью 1.188 и 0.3 мг/100 см² в H₂SO₄ плотностью 1.83. Разрушается плавиковой кислотой HF (в ~10 раз медленнее обычного стекла, но эксплуатация недопустима); фосфорная H₃PO₄ умеренно разрушает поверхность при повышенной температуре. Растворы NaOH и KOH травят поверхность при T выше 200°C. К воде и водяному пару материал устойчив до 800°C.

Ограничения и деградация. Главный фактор старения — девитрификация: при длительной выдержке в диапазоне 1100–1200°C аморфная сетка кристаллизуется в α-кристобалит, поверхность мутнеет, прочность падает. На практике это означает, что при работе печей выше 1100°C ресурс изделия ограничен, и после нескольких циклов длительной выдержки идёт помутнение от кристаллизации. У марок с высоким содержанием OH-групп фиксируется провал пропускания на 2.7 мкм; полосы поглощения 2100–2300 и 2600–2800 нм характерны для марок, не предназначенных для ИК-диапазона.

Марки кварцевого стекла по ГОСТ 15130-86

ГОСТ 15130-86 делит прозрачное кварцевое стекло на 6 марок, и различия между ними определяются способом получения и содержанием примесей: гидроксильных групп OH, металлов, газов. Отсюда расходятся спектры пропускания: одна марка прозрачна от 170 нм, другая только от 260 нм, а полосы поглощения в районе 2600–2800 нм у одних есть, у других вырезаны технологией. Подбор марки начинается с рабочей длины волны и условий эксплуатации (вакуум, радиация, температура).

Спектральные кривые пропускания марок КУ-1, КУ-2, КВ, КИ в диапазоне 170–3500 нм по ГОСТ 15130-86

Правило подбора по ГОСТ 15130-86 простое: для УФ ниже 200 нм нужны КУ-1 или КУВИ, в ИК до 3,5 мкм без полосы воды подходит КИ, в широком ИК до 3,5 мкм с допустимыми полосами — КВ. Если оптика работает рядом с реактором или в космосе, ставят КУВИ и КУВ; они держат дозу без потемнения. Для общелабораторной посуды и тиглей хватает КВ, самой массовой и доступной марки. Развёрнутые характеристики марок КУ-1, КУ-2, КВ и КИ — на странице материала.

Чем отличается от обычного и боросиликатного стекла

Разница между тремя стёклами не в нюансах, а в порядках величин: рабочая температура отличается в 10 раз, ТКЛР в 16 раз, стоимость в сотни раз. Поэтому выбор материала диктуется не привычкой, а конкретными параметрами эксплуатации. Где переплата за кварц оправдана? Только там, где боросиликатное и натрий-кальциевое не справляются по температуре, спектру или термоудару.

Сравнение трёх типов стекла — натрий-кальциевое, боросиликатное (Дюранс), кварцевое КВ — различие в прозрачности и оттенке

Кварцевое стекло берут там, где боросиликатное теряет геометрию или прозрачность: длительная T выше 500°C, УФ короче 300 нм (эксимерные лампы 193 и 248 нм, бактерицидные 185 и 254 нм), резкий тепловой удар, плотность лазерной мощности выше 5 кВт/см², агрессивные реагенты при повышенной температуре. В этих сценариях натрий-кальциевое и боросиликатное либо плавятся, либо непрозрачны, либо лопаются от перепада. При рабочих температурах выше 1200°C альтернативой кварцевому стеклу выступает лейкосапфир: см. свойства лейкосапфира Al₂O₃ для оптики, работающей в этом диапазоне.

Боросиликатного достаточно для лабораторной посуды общего назначения (колбы, мерные цилиндры, реакторы до 500°C), кулинарного и бытового термостойкого стекла, оптики в видимом диапазоне с умеренными требованиями к ТКЛР. Платить за КУ-1 при таких задачах — переплата в сотни раз без выигрыша по характеристикам.

Как производят кварцевое стекло

Чистый кремнезём плавится около 1713°C, но промышленные методы уходят выше: расплав должен оставаться достаточно жидким для гомогенизации и при этом не закипать. Производство кварцевого стекла ведётся тремя промышленными методами, и марка стекла на выходе определяется именно способом варки.

Газопламенное наплавление синтетического кварцевого стекла из SiCl₄ при температуре пламени 1800°C — метод получения марок КУ-1 и КУ-2

Электротермическое плавление природного сырья. Молотый жильный кварц или дроблёный горный хрусталь загружают в вакуумные либо газонаполненные электропечи и доводят до 1900–2000°C. Так получают марки КВ, КИ, КУВ. Узкое место метода — остаточные металлические примеси: следы Fe и Al переходят из сырья в расплав и обрезают пропускание в УФ ниже 220 нм. Зато стоимость кратно ниже синтетических марок.

Газопламенное наплавление из тетрахлорида кремния. В водородно-кислородном пламени с температурой около 1800°C идёт реакция SiCl₄ + 2H₂ + O₂ → SiO₂ + 4HCl, и оксид кремния осаждается на затравку послойно. Результат: синтетические марки кварцевого стекла КУ-1, КУ-2, КУВИ с минимумом металлических примесей и максимальной прозрачностью в УФ. Цена выше КВ в 2–4 раза.

Плазменный синтез. Тот же SiCl₄ разлагается в плазменной струе без участия водорода. Метод нужен, когда полоса поглощения OH на 2.7 и 3.3 мкм недопустима, для ИК-оптики и преформ оптоволокна.

Заготовки после варки гомогенизируют, отжигают для снятия термических напряжений и проверяют по ГОСТ 23136-93: оптическая однородность, двулучепреломление, бессвильность, пузырность. Без этой пост-обработки даже химически чистый расплав не пригоден ни для лазерных окон, ни для смотровых стёкол энергетики.

Обработка и изготовление изделий из кварцевого стекла

Стеклорез на кварцевом стекле не работает: микротвёрдость по Кнупу 4700–4900 МПа исключает скрайбирование. Кварцевое стекло обрабатывают теми же группами операций, что и оптическое: алмазная резка дисками с водяным охлаждением, шлифовка связанным абразивом, полировка свободным абразивом (оксид церия CeO₂, реже оксид циркония ZrO₂), сверление алмазными коронками. Для тонкостенных изделий и сложного контура применяют ультразвуковую и лазерную резку. Соединение и оплавление торцов выполняется водородно-кислородным или плазменным пламенем при температуре около 2000°C, без присадок: материал сваривается сам с собой при размягчении 1550°C по ГОСТ 15130-86.

При заказе изделия по чертежу инженер должен зафиксировать пять параметров:

• марка по ГОСТ 15130-86 (КУ-1 / КУ-2 / КВ / КИ / КУВИ), которая задаёт спектральный диапазон и радиационную стойкость;
• допуск на размер: стандартно ±0.5 мм по диаметру для трубок, для оптики — категория точности по ГОСТ 27460-87;
• класс чистоты поверхности по ГОСТ 11141-84 для окон, линз и кювет;
• исполнение торцов и кромок: оплавленные, шлифованные, полированные, с фаской;
• финишная обработка оптической поверхности до λ/10 при необходимости интерферометрического контроля.

Стандартные позиции (трубки диаметром Ø10–300 мм длиной до 3000 мм, смотровые стёкла тип Г, тигли) изготавливаем за 5–10 рабочих дней. Нестандарт по чертежам и ТЗ заказчика, с контролем каждой партии, занимает 2–6 недель в зависимости от сложности геометрии и требований к оптике.

Частые вопросы

1. Какую температуру выдерживает кварцевое стекло?

Длительная рабочая температура кварцевого стекла достигает 1000–1200°C; выше начинается девитрификация, кристаллизация поверхности в α-кристобалит со снижением прочности. Кратковременно материал работает до 1450°C. Температура размягчения по ГОСТ 15130-86 составляет 1550°C, температура плавления кристобалита около 1713°C.

2. Чем кварцевое стекло отличается от обычного?

Обычное оконное стекло (натрий-кальциевое) содержит 70–73% SiO₂ и теряет форму при 110°C; кварцевое содержит ≥99.5% SiO₂ и работает до 1200°C. ТКЛР кварцевого стекла 5.5×10⁻⁷ K⁻¹, в 15 раз ниже, что даёт термоудар до 1000°C. Прозрачность начинается с 170 нм против 320 нм у обычного: только кварц пропускает жёсткий УФ. Это два разных материала с непересекающимися областями применения.

3. Растворяется ли кварцевое стекло в кислотах?

Кварцевое стекло устойчиво ко всем минеральным кислотам кроме плавиковой и фосфорной. По ГОСТ 8680-58 потери массы после 3 часов кипячения в HCl не превышают 0.5 мг/100 см²; та же стойкость к H₂SO₄ и HNO₃ при любых концентрациях. Плавиковая кислота HF растворяет SiO₂ с образованием SiF₄; фосфорная H₃PO₄ умеренно разрушает поверхность при повышенной температуре. Щёлочи NaOH и KOH разрушают поверхность при температуре выше 200°C.

4. В чём разница между КУ-1 и КУ-2?

Обе марки представляют собой синтетический плавленый кварц, полученный газопламенным гидролизом SiCl₄, для оптики УФ и видимого диапазона. КУ-1 не имеет полос поглощения в области 170–250 нм и пригодна для эксимерных лазеров 193 нм (ArF) и 248 нм (KrF). КУ-2 имеет слабую полосу поглощения 170–250 нм и работает от 200 нм. Для жёсткого УФ и фотолитографии берут КУ-1, для оптики общего назначения от 200 нм — КУ-2.

5. Можно ли резать кварцевое стекло?

Резка возможна только алмазным инструментом с водяным охлаждением. Применяют дисковую алмазную резку (диски с напылением 60–120 mesh), ультразвуковую обработку и лазерное скрайбирование CO₂-лазером. Стеклорез и твердосплавный инструмент не работают: микротвёрдость 4700–4900 МПа по Кнупу и низкий ТКЛР дают неконтролируемое выкрашивание вместо реза.

6. Как производят кварцевое стекло?

В промышленности используют три метода. Электротермическое плавление природного жильного кварца при 1900–2000°C даёт марки КВ и КИ для технических изделий. Газопламенный гидролиз SiCl₄ в водородно-кислородном пламени даёт оптические марки КУ-1 и КУ-2 с чистотой 99.99%. Плазменный синтез из SiCl₄ в аргоновой плазме даёт стекло с низким содержанием OH-групп для ИК-оптики и волоконных преформ.

Об авторе

Технолог по кварцевому стеклу, ООО «ГК «Кварц-Пром».
Специализация: подбор марок кварцевого стекла (КУ-1, КУ-2, КВ, КИ) под задачи оптики, энергетики и научных лабораторий, изготовление по чертежам и контроль качества партий по ГОСТ 15130-86.
Кварц-Пром работает с 2004 года, член Ассоциации «Инновационные предприятия Российской Федерации».