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石英(クォーツ)
応用
1.石英ガラスは溶融石英とも呼ばれ、理化化学用度や光ファイバーの材料などとして幅広く使用されています。
2. 融点が高くて耐熱性のよい石英ガラスはハロゲンランプに使用されて、高輝度･長寿命を実現します。
3.石英ガラスは耐熱性がよく、透明性が高く、紫外線域の透過特性に優れてフォトマスク基板に使用されています。
4.石英ガラスは、高温安定性の特性により半導体製造用炉芯管の材料として非常に優れた材料です。
5.溶融石英は、多くの用途で理想的な光学材料として平面鏡(例えば: 望遠鏡)の製造に使用されています。
6. 溶融石英は耐熱形状安定性の高い部材の製造(例えば: ルツボ、フォトマスク、皿)、熱処理プロセスや焼流し鋳造、ガラス製造に使用されています。この耐熱形状は耐熱衝撃性とほとんどの元素や化合物の化学的に不活性であります。半透明石英管は、ヒーター、工業用炉やその他に使用されています。
物理的性質
溶融石英は0.55 ppm/°C (20-320°C)程度の極めて低い熱膨張係数で耐熱衝撃性に優れ、快速な温度変化があっても不破裂します。
UV グレード合成石英ガラス｢登録商標HPFS 、Spectrosil、Suprasil｣は金属不純物の含有量が低いため、紫外(UV) 領域において卓越した透過率を得ることが可能です。光ファイバー 厚さ1cm、波長が170 nmの透過率が50%、波長が160 nmまで透過します。
赤外線(IR)グレード石英ガラス｢登録商標はInfrasil、Vitreosil IR｣は電気溶融石英、金属不純物(波長が250 nmのUV透過率を抑制)が多く、含水率(3.6μmの波長領域での赤外線伝送を実現)が低いです。あらゆるグレードの透明石英ガラスの物理的性質はほとんど同じです。
溶融石英ガラスは製造工程で含水率と赤外線透過率を決めています。熔融石英材料は含水率が非常に高く、赤外線IRグレード材料は、[OH]含有量(ppm)<10です。
光学的性質
石英ガラスは通常のガラスに比べ高純度、光学的性能にも優れていますので、半導体工業用製品や理化学用実験器具等にいろんな用途に応用されています。紫外線透過率が良くて、溶融石英はレンズや紫外線スペクトル等光学用途で使用されています
| 波長 | 透過率% | ||
| nm | 合成石英 | 溶融石英 | 赤外光学石英 |
| 170 | 50 | 10 | 0 |
| 180 | 80 | 50 | 3 |
| 190 | 84 | 65 | 8 |
| 200 | 87 | 70 | 20 |
| 220 | 90 | 80 | 60 |
| 240 | 91 | 82 | 65 |
| 260 | 92 | 86 | 80 |
| 280 | 92 | 90 | 90 |
| 300 | 92 | 91 | 91 |
| 320 | 92 | 92 | 92 |
| 340 | 92 | 92 | 92 |
| 360 | 92 | 92 | 92 |
| 380 | 92 | 92 | 92 |
| 400-2000 | 92 | 92 | 92 |
| 2500 | 85 | 87 | 92 |
| 2730 | 10 | 30 | 90 |
| 3000 | 80 | 80 | 90 |
| 3500 | 75 | 75 | 88 |
| 4000 | 55 | 55 | 73 |
| 4500 | 15 | 25 | 35 |
| 5000 | 7 | 15 | 30 |
熱的性質
石英ガラスは平均5.0 × 10 –7/ °Cの熱膨張係数で、一般的なガラスに比べて極めて低熱膨張係数です。例えば1 m3 のホウケイ酸ガラスと石英ガラスを一緒に炉に入れて500 °C加熱するとき、ホウケイ酸ガラスは5リットル以上に体積が大きくなり、石英ガラスは１リットル未満で大きくなります。石英ガラスは低熱膨張係数による耐熱衝撃性を持っています。
1000 ° C焼成した石英ガラスを直接氷水の中に投下しても割れません。しかしながら、耐熱衝撃性は熱膨張係数により、表面状態や幾何学的形状にもよります。熱膨張係数がほぼ同じて、各種の二酸化珪素と溶融石英を結合しても熱破損を起こすリスクが増加しません。
| 技術仕様 | 酸水素炎溶融石英 | 溶融石英 | 電気溶融石英 |
| 温度パラメーター | |||
| 軟化温度(°C) | 1660 | 1600 | 1710 |
| 焼きなまし温度(°C) | 1160 | 1100 | 1220 |
| ひずみ温度(°C) | 1070 | 1000 | 1125 |
| 連続使用温度 最大(°C) | 1110 | 950 | 1160 |
| 短期使用温度 最大(°C) | 1250 | 1200 | 1300 |
| 平均比熱(J/kg · K) | |||
| 0 ... 100 °C | 772 | 772 | 772 |
| 0 ... 500 °C | 964 | 964 | 964 |
| 0 ... 900 °C | 1052 | 1052 | 1052 |
| 熱伝導率(W/m · K) | |||
| 20 °C | 1.38 | 1.38 | 1.38 |
| 100 °C | 1.47 | 1.46 | 1.47 |
| 200 °C | 1.55 | 1.55 | 1.55 |
| 300 °C | 1.67 | 1.67 | 1.67 |
| 400 °C | 1.84 | 1.84 | 1.84 |
| 950 °C | 2.68 | 2.68 | 2.68 |
| 平均線膨張係数(K–1) | |||
| 0 ... 100 °C | 5.1 × 10 –7 | 5.1 × 10 –7 | 5.1 × 10 –7 |
| 0 ... 200 °C | 5.8 × 10 –7 | 5.8 × 10 –7 | 5.8 × 10 –7 |
| 0 ... 300 °C | 5.9 × 10 –7 | 5.9 × 10 –7 | 5.9 × 10 –7 |
| 0 ... 600 °C | 5.4 × 10 –7 | 5.4 × 10 –7 | 5.4 × 10 –7 |
| 0 ... 900 °C | 4.8 × 10 –7 | 4.8 × 10 –7 | 4.8 × 10 –7 |
| – 50 ... 0 °C | 2.7 × 10 –7 | 2.7 × 10 –7 | 2.7 × 10 –7 |
機械的性質
溶融石英は圧縮に対して非常に強く、設計圧縮強度は1.1 x 10 9 Pa (160,000 psi)を超えます。あらゆるガラスは、表面欠陥が本来の強度を低下し、引張り強度にも大きな影響を及ぼします。溶融石英の表面状態が良い場合、設計引張り強度は4.8×107Pa(7000psi)を超えし、推奨設計応力は0.68×107Pa(1,000psi)です。
| 機械的性質 | 基準値 |
| 密度 | 2.203g/cm3 |
| 圧縮強度 | ＞1100Mpa |
| 曲げ強度 | 67Mpa |
| 引張り強度 | 48.3Mpa |
| ポアソン比 | 0.14~0.17 |
| 弾性率 | 71700Mpa |
| 剛性率 | 31000Mpa |
| モース硬度 | 5.3~6.5(Moths Scale) |
| 屈伏点 | 1280℃ |
| 比熱(20~350℃) | 670J/kg.℃ |
| 熱伝導度(20℃) | 1.4W/m.℃ |
| 屈折率 | 1.4585 |
| 熱膨張係数 | 5.5×10-7cm/cm.℃ |
| 熱間使用温度 | 1750~2050℃ |
| 短期使用温度 | 1300℃ |
| 長期使用温度 | 1100℃ |
| 抵抗率 | 7×107Ω.cm |
| 絶縁耐力 | 250~400Kv/cm |
| 誘電率 | 3.7~3.9 |
| 誘電吸収係数 | <4×104 |
| 誘電損失係数 | <1×104 |
化学的特性
溶融石英は、結晶構造を持たず二酸化珪素(SiO2)からつくられるガラスで、石英ガラス、溶融シリカなどとも呼ばれます。
高純度の溶融石英は、原材料、製造方法及び後処理プロセスにより決めます。一般的にアルミ(Al)、ナトリウム(Na)、鉄(Fe)等金属不純物と水(OH 基)や塩素が極めて少なく存在して、石英ガラスの粘度や光吸収、電気的性質に影響を及ぼします。そのため、ZCQは生産過程中すべての段階で特殊措置を行って、高純度を確保しています。その他、ZCQは様々な精製過程を経て、石英砂(珪砂)の品質を向上します。
| 単位 X10-4% | ||||||||||||||||
| Al | Fe | Ca | Mg | Yi | Cu | Mn | Ni | pb | Sn | Cr | B | K | Na | Li | OH | |
| 溶融石英 | 16 | 0.92 | 1.5 | 0.4 | 1.0 | 0.01 | 0.05 | <0.3 | <0.3 | <0.3 | <0.3 | 0.2 | 1.49 | 1.67 | <0.3 | 400 |
| 高純度合成石英 | 0.37 | 0.31 | 0.27 | 0.04 | 0.03 | 0.03 | 0.01 | <0.03 | <0.03 | <0.03 | <0.03 | 0.02 | 0.5 | 0.5 | <0.03 | 1200 |
| 赤外線グレード石英 | 35 | 1.45 | 2.68 | 1.32 | 1.06 | 0.22 | 0.07 | <0.03 | <0.03 | <0.03 | <0.03 | 0.3 | 2.2 | 3 | <0.3 | 5 |
| 紫外線グレード石英 | 3.9 | 0.4 | 3.5 | 1.2 | 0.45 | 0.1 | 0.02 | 0.06 | 0.04 | 0.02 | 0.03 | 0.1 | 0.5 | 1.5 | 0.05 | 1200 |
電気的性質
溶融石英(石英ガラス)には、温度変化にも非常に安定して優れる電気強度を持っています。電気抵抗率は25 ℃時(10 to 17th power) ohms/cc、1000 ℃時(10 to 17th power) ohms/cc。
| 温度 ℃ | 電気抵抗率℃M | 温度 ℃ | 電気抵抗率 ℃M |
| 20 100 200 300 400 500 600 | 10×1018 1×1018 10×1015 0.2×1012 5×109 0.3×109 60×106 | 700 800 900 1000 1100 1200 1300 | 10×106 4×106 2×106 1×106 0.7×106 0.5×106 0.4×106 |
失透
「過冷却液体」とは、通常ガラスを言います。石英ガラスは元来熱力学的には不安定状態にあるので、結晶化するために起こる構造変化が失透であります。特に付着したナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属やその他の不純物によってネットワーク構造が崩され粘度が低下して、失透が促進されます。
各種雰囲気中での加熱温度、時間により失透が起こり、高温になるとガラス状態から石英の高温結晶形-クリストバライトの結晶になります。
クリストバライトは表面から見るとシリカガラスと密度がほぼ同じです。でも275 ° Cまで冷却する時、クリストバライトにおける高温型(β)から低温型(α)の構造変化、βからα転移に伴う大きな体積変化が、冷め割れを引き起こします。
石英ガラス
石英ガラスには製造方法によりいろんな種類がありますが、大きく「溶融石英ガラス」と「合成石英ガラス」に分類されます
溶融石英ガラス
溶融石英ガラスは通常透明で、天然の水晶の粉末を電気炉やガス/酸素の溶融炉を使用して2000°Cで溶融します。溶融石英ガラスは、溶融石英ガラスは半導体製造用炉心管、治具、ランプ部材等として使用されています。
合成石英
合成石英は、シリコーンなどと同様ケイ素を原料にして酸化や連続火炎中加水分解プロセスによって形成され。通常、四塩化ケイ素(SiCl4)から作られます。光学的な均質性や透過率に優れてレンズやプリズムなどの光学部品、半導体や液晶製造用フォトマスクに最適です。
透明石英ガラスの主な性質
極めて低い熱膨張係数。
非常に高く耐熱性。
金属の不純物が少なく、高純度。
耐食性に優れる。
紫外線域から赤外線域まで透過特性に優れる。
電気絶縁性が良い。
