Плавленый кварц (Fused Silica)
Плавленый кварц (fused silica, кварцевое стекло) — это аморфный диоксид кремния SiO₂ без кристаллической решётки, получаемый плавлением природного кварца или синтезом из газовой фазы. От обычного силикатного стекла он отличается почти чистым составом: содержание SiO₂ превышает 99,9 %, а прочие оксиды присутствуют на уровне долей процента, что и даёт материалу коэффициент теплового расширения 0,55·10⁻⁶ K⁻¹ — в двадцать раз ниже, чем у оконного стекла.
Ключевые характеристики
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Плотность | 2,20 г/см³ |
| КТР (20–1000 °C) | 0,55·10⁻⁶ K⁻¹ |
| Показатель преломления n (589 нм) | 1,4585 |
| Температура размягчения | ≈1665 °C |
| Рабочая температура длительно | 1100 °C |
| Спектральный диапазон | 170–2700 нм в зависимости от марки |
| Стойкость к термоудару | перепад до 1000 °C |
Fused quartz и fused silica: не синонимы
В англоязычной литературе разделяют два материала. Fused quartz получают электроплавкой природного кристаллического сырья: в нём остаются следовые металлы, зато мало гидроксильных групп. Fused silica синтезируют из тетрахлорида кремния SiCl₄ гидролизом в пламени — материал сверхчистый по металлам, но с высоким содержанием OH.
В отечественной маркировке этому делению соответствуют марки. КУ-1 и КУ-2 — синтетические, с высоким содержанием OH-групп, прозрачны в ультрафиолете от 170–190 нм. КВ и КИ — из природного сырья: у них нет полосы поглощения воды около 2,7 мкм, поэтому они работают в ближнем ИК. Выбор марки определяется не «качеством», а рабочим диапазоном: подробное сопоставление собрано в материале о марках кварцевого стекла.
Почему аморфность важна
Кристаллический кварц анизотропен: показатель преломления зависит от направления, есть двулучепреломление, есть плоскости спайности. Плавленый кварц изотропен — свойства одинаковы во всех направлениях, что критично для оптических окон и заготовок под линзы.
Обратная сторона аморфности — метастабильность. При длительной выдержке выше 1100 °C структура начинает переходить в кристобалит, поверхность мутнеет и покрывается сеткой трещин. Этот процесс, девитрификацию, ускоряют щелочные загрязнения — отпечаток пальца на трубке превращается в очаг кристаллизации за несколько термоциклов.
Где применяется
- Кварцевые трубки для трубчатых печей и диффузионных процессов
- Тигли для плавки кремния и драгоценных металлов
- Кюветы для УФ-спектрофотометрии
- Смотровые стёкла высокотемпературных установок
- Колбы УФ-ламп, ксеноновых и галогенных источников
- Заготовки для оптического волокна
Частые вопросы
Чем плавленый кварц отличается от кварцевого песка и от горного хрусталя?
Химическая формула у всех одна — SiO₂. Песок и горный хрусталь кристалличны, плавленый кварц аморфен. Переход происходит при плавлении выше 1700 °C с последующим быстрым охлаждением, которое не даёт решётке выстроиться заново.
Какую температуру выдерживает кварцевое стекло?
Кратковременно до 1200–1300 °C, длительно — 1100 °C. Ограничение задаёт не размягчение, до которого ещё далеко, а скорость кристаллизации: при 1200 °C заметная девитрификация развивается за сотни часов, при 1300 °C — за десятки.
Почему кварц выдерживает резкое охлаждение, а обычное стекло трескается?
Из-за низкого расширения. Термические напряжения пропорциональны КТР, а у кварца он в двадцать раз меньше, чем у натрий-кальциевого стекла. Раскалённая кварцевая трубка, опущенная в воду, обычно остаётся целой — механику этого явления разбирает статья о термоударе.
