Quarzglas
Allgemeines | |
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Name | Quarzglas |
Andere Namen | fused silica,Kieselglas |
Summenformel | SiO2 |
Kurzbeschreibung | Glas aus reinem SiO2 |
Eigenschaften | |
Physikalische Eigenschaften | |
Dichte | 2,201 g/cm³ |
Zugfestigkeit(stark abhängig von Gestalt und Oberflächenqualität) |
ca. 50 N/mm² |
Härte | 5,3–6,5 Mohs; 8,8 GPa |
Schallgeschwindigkeit,longitudinal | 5930 m/s |
Schallgeschwindigkeit,transversal | 3750 m/s |
Verunreinigungen | typ. 10–1000ppm |
Optische Eigenschaften | |
Transmission | 170–5000nm |
Brechungsindex | 1,46[1]bei 589,3 nm |
Brewster-Winkel | 55,58° |
Thermische Eigenschaften | |
Wärmeausdehnungskoeffizient0… 600 °C | 0,54 10−6K−1[2] |
Spezifische Wärmekapazität0… 900 °C | 1052 J/(kg K) |
Wärmeleitfähigkeit(20°C) | 1,38 W/(m K) |
Phononen-Wärmeleitfähigkeit (2000 °C) | 15 W/(m K) |
Transformationspunkt | 1130 °C |
Littletontemperatur | 1760 °C[3] |
Verarbeitungstemperatur | >2000 °C |
Siedepunkt | 2230 °C |
Quarzglas,auch alsKieselglasbezeichnet, ist einGlas,das im Gegensatz zu den gebräuchlichen Gläsern keine Beimengungen vonNatriumcarbonatoderCalciumoxidenthält, d. h. aus reinemSiliziumdioxid(SiO2) besteht. Industriell hergestelltes Quarzglas hat abhängig vom Vormaterial und Fertigungsprozess unterschiedliche Konzentrationen von Verunreinigungen, die imppm- bzw. für synthetisches Kieselglas imppb-Bereich liegen.[4]
Es kann durch Aufschmelzung und Wiedererstarrung vonQuarz(Quarzsand oder künstlich hergestellt) gewonnen werden, daher auch die Bezeichnung Quarzglas und die englische Bezeichnungfused quartzoderfused silica.
Natürlich vorkommendes Quarzglas wird alsLechatelieritbezeichnet.
Richard Küch(1860–1915), Physiker und Chemiker, entdeckte 1899, dassSiliziumdioxidin einerKnallgasflammeblasenfrei und in höchster Reinheit zu schmelzen ist, und machte Quarzglas für die Industrie als Massenprodukt verwendbar.[5]
Eigenschaften
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Durchlässigkeit fürUltraviolett-bisInfrarotstrahlung(von 170 nm bis 5 µm Wellenlänge)[6][7]
- Geringerthermischer Ausdehnungskoeffizientund hohe Temperaturwechselbeständigkeit
- Hohe chemische Beständigkeit: Quarzglas wird mit Ausnahme vonFlusssäureund heißerPhosphorsäurevon keinerSäureangegriffen und verhält sich gegenüber vielen anderen Stoffen neutral.
- DieDurchschlagsfestigkeitbeträgt ca. 40 kV/mm, was Quarzglas zu einem guten Isolationsmaterial in elektrotechnischen Bauteilen wieOptokopplernmacht.
- DieErweichungstemperaturliegt deutlich höher als die von anderen Gläsern.
Anwendungen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Fenster- und Linsenmaterial für Ultraviolett-Optik (Excimer-Laser,Fotolithografie)
- Isolationsschicht in Halbleiterbauelementen (MOS-Technologie)
- Kolben fürHalogenglühlampen
- Kolben fürXenon-Gasentladungslampen(Xenonlicht,Fotoblitz, Stroboskop)
- Entladungsgefäße fürQuecksilberdampflampen(Hoch- und Höchstdrucklampen, auch Niederdrucklampen, wenn UV-Emission erwünscht ist)
- Material für Anlagen in der Halbleiterfertigung
- Küvettenfür dieinstrumentelle Analytik
- Material für die Trennsäulen in derGaschromatographie
- Material fürLichtleitkabel(Laserstrahlübertragung, Nachrichtentechnik)
- Fenster sowie Bestandteile derHitzeschutzkachelndesSpace Shuttle
- Retroreflektoren für Messlaser am EDM-Lander vonExoMars
- Sicht- und Messfenster in heißen Umgebungen (Öfen,Motoren,Gasturbinen)
- Isolationsmaterial in elektrotechnischen Bauteilen wieOptokopplern
- Musikinstrumente (Verrophon,Glasharmonika,Glasharfe)
- Schutzrohr für die Wasserentkeimung mit UV-Strahlung
- Substrat für Raman-Spektroskopie-Messungen
- Reflektoren für die zentimetergenaueEntfernungsmessungzwischenKontinentenzur Bestimmung derKontinentaldrift
- Lunar Laser Ranging-Reflektorenfür die zentimetergenaue Entfernungsmessung zwischenErdeundMond,entwickelt u. a. von den IngenieurenHeinrich Mohnund Peter Hitzschke beiHeraeusinHanau[8][9]
Quarzglas hoher Reinheit ist im Wellenlängenbereich von 190 nm bis 3,5 µm transparent, hat jedoch normalerweise ein durch OH−-Gruppen verursachtes Absorptionsband um die 2,5 bis 3 µm. Verbesserte Infrarot-Transmission bei Wellenlängen von 2,2 bis 3 µm wird durch verringertenHydroxy-Gruppen-(OH-Gruppen-)Gehalt erreicht. Der Normalwert liegt bei 100ppm,bei verbesserter IR-Transmission unterhalb von 1 bis 3 ppm.
Durch Dotierung mitTitankannUV-C-Absorption, durchCer-Dotierung kann Absorption im gesamtenUltraviolettbereicherreicht werden (UV-blockende Halogenglühlampen).
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/49/Quarzglas-Wafer_mit_Mikrokanalstruktur.jpg)
In derinstrumentellen AnalytikwerdenKüvettenaus Quarzglas zur Messung vonVoluminaunter 50nleingesetzt. Erst die besonderen Eigenschaften des Quarzglases ermöglichen Messapparaturen und Zuführungskanäle unter 100 µm Durchmesser.
Wegen der teilweise sehr geringen spezifischenAbsorptionder Proben kann die Schichtdicke nicht beliebig verkleinert werden. Daraus folgt, dass immer geringere Querschnitte der Messapparaturen und der Zuführungskanäle bis unter 100 µm Durchmesser gefordert sind. So werden Messvolumina von weniger als 50 nl erreicht. Die Fertigung erfolgt mittelsMikrolithographieundÄtzen.Weitere wichtige Eigenschaften von Quarzglas für die Herstellung von Küvetten sind sein hoherReintransmissionsgradzwischen etwa 200 nm bis 4 µm, seine gute chemische Widerstandsfähigkeit und die geringeelektrische Leitfähigkeit.
Der sehr niedrige Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas bewirkt dessen hohe Temperaturwechselbeständigkeit. Dies und die hohe Erweichungstemperatur des Quarzglases erlauben es, Bauteile, Rohre und Gefäße herzustellen, die Temperaturen bis max. 1400 °C standhalten.
Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑Thomas Jüstel, Sebastian Schwung:Leuchtstoffe, Lichtquellen, Laser, Lumineszenz.Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2016,ISBN 978-3-662-48455-5,S.207(eingeschränkte Vorschauin der Google-Buchsuche).
- ↑Produktinformationsseite des Herstellers Heraeus Conamic,heraeus-conamic.de
- ↑H. Scholze:Glas. Natur, Struktur und Eigenschaften.1988,ISBN 3-540-18977-7,S.154.
- ↑Chemische Reinheit von Quarzglas,heraeus-conamic.de
- ↑Richard Küch und Heraeus:Innovationen schaffen,Pressemitteilung derHeraeus Holding GmbH
- ↑Produktinformationsseite des Kristall-Händlers Korth Kristalle,korth.de, abgerufen am 21. Juni 2012
- ↑H. Scholze:Glas. Natur, Struktur und Eigenschaften.1988,ISBN 3-540-18977-7,S.213f.
- ↑Pamela Dörhöfer:Hanauer Reflektoren auf dem Mond: „Der beste Beweis, dass Astronauten oben waren “.In:Frankfurter Rundschau.14. Juli 2019,abgerufen am 9. Februar 2023.
- ↑Christoph Seidler:Laserreflektoren auf dem Mond: Die Anti-Verschwörungstheorie-Maschinen.Spiegel Online,30. Juli 2019,abgerufen am 9. Februar 2023.