کوارتز یکی از فراوانترین و پراکندهترین کانیها در طبیعت است و تنها چندشکلی پایدار سیلیس کریستالی در سطح زمین است در تمام انواع سنگها وجود دارد: آذرین، دگرگونی و رسوبی. هنگامی که یک سنگ کوارتز دار هوازده یا فرسایش میشود به تودههای آبی و شن تبدیل میشود و بهراحتی با تغییر ترکیب شیمایی میتوان از سنگ کوارتز شیشه تولید کرد که کاربرد بسیاری در صنایع مختلف دارد. در این مقاله از دپو با فرمول شیمایی، خواص و کاربرد شیشه کوارتز بیشتر آشنا خواهید شد.
فرمول و مواد سازنده شیشه کوارتز
فرمول شیمیایی کوارتز SiO2 است. سیلیکون عنصری حاوی چهار الکترون است که اتم سیلیکون را به چهار اتم اکسیژن پیوند میدهد. یک اتم اکسیژن به دو اتم سیلیکون متصل است و سیستم کریستالی چهاروجهی مرکزی از کوارتز را میسازد. سیستم کریستالی چهاروجهی از چهار اتم اکسیژن در گوشهها و یک اتم سیلیکون مرکزی تشکیل شده است. در یک چهاروجهی، پیوند O-Si-O یک زاویه 109 درجه ایجاد میکند. در شبکهای از چهاروجهی SiO4، اتمهای اکسیژن گوشهای به اتم سیلیکون مرکزی متصل میشوند. پیوند Si-O-Si یک 144 درجه ایجاد میکند. ساختار SiO4 شبکهای با فضاهای وسیع باز است، ازاینرو به کوارتز یک فرم کریستالی شش ضلعی میدهد.
شن و ماسه سیلیس ماده رایجی است که برای تولید شیشه کوارتز استفاده میشود. این یک ماده معدنی سخت بی اثر است که در طول زمان به ماسه تجزیه شده است. ماسه سیلیکا با خلوص بالا امکان کنترل بیشتر استحکام، شفافیت و رنگ محصول نهایی را فراهم میکند. کوارتز را میتوان به شیشه کوارتز تبدیل کرد که به دلیل خلوص استثنایی آن ارزشمند است و کاربردهای گسترده ای دارد. شیشه کوارتز حاوی مواد افزودنی نیست. گاهی اوقات به آن کوارتز ذوب شده یا سیلیس ذوب شده نیز گفته میشود. تفاوت بین این دو این است که کوارتز ذوب شده از دیاکسید سیلیکون خالص SiO2 ساخته شده است درحالیکه سیلیس ذوب شده از پیش ساز مصنوعی ساخته شده است.
اکثریت کوارتز از ماسه سیلیس میآید که برای تولید کوارتز با خلوص بالا استفاده میشود که دارای استحکام، شفافیت و رنگ بیشتری است. شیشه کوارتز به دلیل ویژگیهای متمایز و با ارزش بالا ارزش دارد. از جمله این موارد به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین، نفوذپذیری گاز بالا و انتقال نوری گسترده است.در مقاله از کوارتز در کجا استفاده می شود درمورد دیگر استفاده ها و کاربرد سنگ کوارتز صحبت شده است.
خواص شیشه کوارتز
شیشه کوارتز به دلایل ویژگیهایی که دارد بسیار با استقبال روبه رو شد. از جمله این خواص شیمایی میتوان به موارد زیر اشاره داشت:
خلوص شیمیایی
خلوص یکی از مهمترین جنبهها در تولید شیشه کوارتز است. آلایندهها، حتی در سطوح بسیار پایین، بر خواص حرارتی، الکتریکی و نوری شیشه کوارتز حاصل و مواد در تماس در کاربرد نهایی خود تأثیر میگذارند. برای اطمینان از خلوص بالا، اقدامات احتیاطی سختگیرانه باید در منبع مواد اولیه و تمام مراحل تولید انجام شود. رایجترین ناخالصیها اکسیدهای فلزی (Al2O3، Fe2O3، MgO و غیره)، آب و کلر هستند.
رفتار شیمیایی
شیشه کوارتز از نظر شیمیایی نسبت به اکثر ترکیبات شیمیایی: آب، نمک و اسیدها بی اثر است و آن را به یک ماده مفید در آزمایشگاهها و صنایع شیمیایی تبدیل میکند. اساساً در برابر گازها نفوذ ناپذیر است. اسید هیدروفلوریک و اسید فسفریک تنها عواملی هستند که میتوانند شیشه کوارتز را در دمای محیط حک و تجزیه کنند. با این حال، عوامل قلیایی و خاک قلیایی به سطح حمله میکنند و باعث دگرگونی سریع میشوند. حتی اثر انگشت که حاوی رگههایی از قلیایی است، میتواند باعث دگرگونی شود به همین دلیل استفاده از شیشه کوارتز در بسیار طرفدار دارد.
خواص حرارتی
شیشه کوارتز به دلیل ضریب بسیار پایین انبساط حرارتی شناخته شده است. انبساط حرارتی به تغییر جزئی اندازه یک جسم در پاسخ به تغییر دمای آن اشاره دارد. برای بیشتر مواد، CTE با تغییر دما نسبت مستقیم دارد. شیشه کوارتز همچنین دارای مقاومت شوک حرارتی عالی است که میتواند تغییرات ناگهانی و شدید دما را تحمل کند. شیشه کوارتز رسانایی حرارتی پایینی دارد.
شیشه فرآیند مبدل حرارتی
شیشه کوارتز در دمای 1630 درجه سانتیگراد نرم میشود و مانند اکثر انواع شیشه در دماهای بالا مانند یک مایع چسبناک عمل میکند. این حالت در طیف وسیعی از دما رخ میدهد و با افزایش دما ویسکوزیته کاهش مییابد. ویسکوزیته نیز با وجود ناخالصیها افزایش مییابد.
ویژگیهای مکانیکی
شیشه کوارتز دارای خواص مکانیکی تقریباً مشابهی در مقایسه با سایر انواع شیشه است. شیشه کوارتز استحکام فشاری بالایی دارد، اما شکنندگی بالایی نیز از خود نشان میدهد. عیوب سطحی نیز میتواند بر استحکام کلی این ماده تأثیر بگذارد. قطعات پولیش شده با ماشین نسبت به قطعاتی که با آتش پرداخت میشوند ضعیفتر هستند.
خواص نوری
شیشه کوارتز به دلیل خواص گسترده انتقال نوری، پوشش مناطق فرابنفش، طول موجهای مرئی و مادون قرمز، موضوع تحقیق بوده است و با افزودن مواد دوپینگ میتوان آن را بیشتر تقویت کرد. انتقال تحت تأثیر خلوص شیشه کوارتز و محتوای OH است. افزایش ناخالصیهای فلزی و تحریکات ارتعاشی و چرخشی مولکولی OH میتواند منجر به جذب نور شود و از این رو بر انتقال متعاقب آن تأثیر بگذارد.
خواص الکتریکی
شیشه کوارتز یک عایق الکتریکی عالی است که مقاومت بالایی را در دماهای بالا حفظ میکند و قدرت دی الکتریک بالایی دارد. این به دلیل عدم وجود یونهای متحرک باردار در شبکه مولکولی و پیوند قوی سیلیکون-اکسیژن است که قطبش پذیری بسیار کمی را به ساختار میدهد.
کاربردهای شیشه کوارتز
شیشه کوارتز یکی از مقاومترین انواع شیشه است و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. در زیر به برخی از کاربردهای شیشه کوارتز اشاره میشود:
- ابزارهای نوری
اغلب کاربردهای شیشه کوارتز به دلیل ویژگیهای نوری آن استفاده میشوند، به دلیل دامنه شفافیت گسترده و تراگذری نور بالاتری که از فاصله فرابنفش تا مادون قرمز را پوشش میدهد. شیشه کوارتز به راحتی توسط پرتو فرابنفش و تشعشعات با انرژی بالا آسیب نمیبیند. نور با کمترین اختلالات به طور تابعیت شده میتواند از طریق یک مسیر نوری درون شیشه کوارتز عبور کند. نمونههایی از محصولات با کاربردهای نوری عبارتند از: پریزم، لنزها، تقسیم کنندههای پرتو، قطبش کنندههای نور، آینهها و پنجرهها.
- دستگاههای روشنایی
شیشه کوارتز با خلوص بالا در لامپهای مختلف و سیستمهای نورپردازی مانند لامپ جیوه ای، لامپ هالوژن، لامپ زنون، لامپ فرابنفش و لامپهای کمپرسیونی و رشته ای استفاده میشود که منبع نور با دمای بالا را فراهم میکند. این لامپها در چندین صنعت استفاده میشوند، از جمله دستگاههای ضدعفونی کننده و تمیزکننده در صنایع غذایی و پزشکی و دستگاههای اکسپوژر در صنعت نیمه رساناها.
- تجهیزات و وسایل شیمیایی
مواد شیشهای کوارتز به دلیل مقاومت شیمیایی خود و قیمت بالای آن، به عنوان جایگزین خوب ولی گران بهایی برای نوع دیگری از شیشهها است که نمیتوانند در برابر بالا رفتن دمای استفاده مقاومت کنند، به کار میروند. کاربردهای معمول آن شامل وسایل شیشهای، صفحات و لولههاست.
- مواد شعاعی
سیلیس فیوز شده با انتقال موج بسیار کارآمد در طیف فرابنفش استفاده میشود و معمولاً برای ساخت پنجرهها، لنزها و اپتیکهای فرابنفش استفاده میشود.
سخن نهایی
شیشه کوارتز یک نوع شیشه با مقاومت بالا در برابر حرارت، خوردگی و خوردنی است. به دلیل ویژگیهای خاص خود، شیشه کوارتز در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. بعضی از کاربردهای شیشه کوارتز شامل لامپهای ماورای بنفش برای تصفیه آب و کنترل عفونتها، لامپهای هالوژن برای نورپردازی و کنترل آلودگی، و نمایشگرهای الکترونیکی برای صفحات نمایش بزرگ و ابزارهای اندازهگیری دقیق هستند. ساخت شیشه کوارتز به وسیله مذاب کردن کوارتز و مواد معدنی دیگر در دمای بالا انجام میشود. پس از آن، مواد مذاب شده را به سرعت خنثی کرده و به شکل صفحات یا قطعات مختلفی شکل داده میشود. در نهایت، شیشه کوارتز به طور معمول به صورت بلورهای شفاف تولید میشود که برای کاربردهای مختلفی مانند تجهیزات علمی، صنعتی و الکترونیکی به کار میروند.اینها مطالبی بود که در این مقاله از مجموعه تخصصی پخش سنگ کورین و کوارتز برای شما بیان شد.