Кварцевое стекло как конструкционный материал в электронной технике. Свойства и применение.

Введение

Электроника в настоящее время является одной из бурно развивающихся отраслей науки и техники. Она занимается исследованием физических основ и вопросов практического применения различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение.
Актуальность работы состоит в том, что кварцевое стекло сегодня является важным конструкционным материалом в электронной технике. Так, кварцевое стекло представляет собой одну из разновидностей стекла, но со своими особенными химическими и физическими свойствами. В состав данного стекла входит только оксид кремния, то есть такое стекло является однокомпонентным.
Отметим, что многочисленные научные работы как отечественных, так и зарубежных авторов связаны с исследованием свойств кварцевого стекла, а также его технологических особенностях производств. В настоящее время кварцевое стекло является одним из широко используемых оптических материалов на практике, так как оно характеризуется целым рядом уникальных свойств, чем, в свою очередь, не могут «похвастаться» другие типы стекол.
Цель работы – изучение кварцевого стекла как конструкционного материала в электронной технике. Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
•рассмотреть кварцевое стекло как конструкционный материал в электронной технике;
•проанализировать свойства кварцевого стекла и его применение.
Методологической базой данной работы явились изучение научной литературы, анализ и синтез, а также, методы системного подхода.
Кварцевое стекло
Начнем с того, что кварцевое стекло (рисунок 1) – это вид стекла, основой которого служит оксид кремния. Двуокись кремния находится в аморфном состоянии. Это не приводит к разрушению стекла при температурных перепадах, чем не может похвастаться, к примеру, кристаллический кварц.


Рисунок 1 – Кварцевое стекло

Кварц - это материал, который получается в результате воздействия высоких температур на оксид кремния. От традиционного стекла его отличает аморфное состояние, которое определяет основные свойства продукта. Невозможно найти конкретную точку плавления, а переход из твердого состояния в жидкое у кварцевого стекла происходит под воздействием высоких температур плавно, постепенно.
Другое отличие – пропускать не только свет, но также ультрафиолет и инфракрасные лучи. Наука объясняет это особенностью пространственной структуры молекул SiO2 и кислородной связкой между ними. Кварцевые волокна используют в тех случаях, когда требуется значительная термическая стойкость [1, с. 14].
Исходным сырьем для получения кварцевого стекла служат:
кварц каменного происхождения;
горный хрусталь;
кварцевый песок;
SiO2 (оксид кремния) от искусственного производства.
Кварцевое стекло является отличным материалом для производства оптических компонент для решения задач в ультрафиолетовой (УФ), видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра.
Кварцевое стекло может быть получено разными методами - высокотемпературным плавлением кристаллов натурального кварца, плавлением высокочистого песка, а также в результате плавления не натурального, как в первых двух случаях, а предварительно синтезированного и, т.о., обогащенного кремнийсодержащего сырья.
Структура кварцевого стекла выполнена из тетраэдров SiО4, соединенных друг с другом вершинами через атомы кислорода. В результате образуется непрерывный пространственный каркас, отличающийся от геометрически правильных решеток кристаллических модификаций кварца отсутствием дальнего порядка в расположении и ориентации тетраэдров. Тетраэдры SiО4 не образуют в пространстве геометрически правильных сочленений в виде шести членных колец, характерных для структуры высокотемпературного кристобалита.
Структурная сетка стекла выглядит как искаженная кристаллическая решетка. Искажение заключается в произвольном варьировании значений угла связи Si—О—Si между соседними тетраэдрами в структуре стекла.
Группировка [SiО4]4- имеет избыточный отрицательный заряд (-4), но каркасная сетка из тетраэдров SiО4 в целом электронейтральна, так как каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. В структуре кварцевого стекла все атомы кислорода мостиковые.

Структуры кристаллических и стеклообразной форм диоксида кремния не являются плотноупакованными, так как тетраэдры соединяются вершинами, а не ребрами и не гранями

. В кварцевом стекле имеются свободные структурные полости, ограниченные в пространстве мостиковыми атомами кислорода.
Именно благодаря наличию в структуре свободных полостей, кварцевое стекло обладает наиболее высокой газопроницаемостью (гелий, водород, неон) по сравнению с другими силикатными стеклами, в составе которых кроме диоксида кремния присутствуют оксиды щелочных и щелочноземельных металлов.


Применение кварцевого стекла
Область применения кварцевого стекла настолько широка, что, кажется, нет отрасли, в которой бы оно не использовалось. Все лабораторное оборудование для исследований изготовлено из силикатного стекла. Оптические приборы, изоляторы, космические оборудование – все это тоже производится из кварца.
В видимой инфракрасной области спектра кварцевое стекло полностью прозрачное. Это делает из него ценный оптический материал.
Из кварца производят:
Линзы;
Призмы;
Оптические окна.
В современном производстве оптических линз силикатное стекло считается незаменимым материалом в изготовлении продукции различной сложности. Широкий диапазон прозрачности способствовал применению стекла в сегменте телекоммуникаций (оптоволокно).
Стоит различать прозрачное и непрозрачное кварцевое стекло. Непрозрачное содержит в своей структуре небольшие пузырьки газа. Ними определяется цвет стекла. Прозрачное стекло делится на техническое и оптическое. Силикатное стекло, используемое в оптике, обладает гомогенностью.
Однородность (гомогенность) – один из главных показателей для оптических материалов. Именно этот параметр определяет характеристики будущего продукта. Так, если в нем будут пузырьки газа или иные включения, сложно гарантировать прозрачность и высокое преломление.
Несмотря на серию, состав кварцевого стекла может быть разным. Для обозначения каждого вида стекла на производстве было предложено использовать свой шифр, который значится как маркировка. Наименование продукции состоит из букв и цифр, что упрощает разделение материалов на типы оптического стекла.
Состав кварцевого стекла во многом определяет свойства материала. В зависимости от состава стекло относится либо к техническому, либо к оптическому (общего назначения).
Существует также силикатное стекло прозрачное в инфракрасной области, стекло из кремния, не темнеющее от радиоактивных излучений, и особо чистый материал. На производстве есть еще и увиолевое стекло – специальный материал, который остается прозрачным при воздействии коротких ультрафиолетовых лучей.
Кварц нашел применение в производстве трубок для уровня жидкостей. Такие змеевики и трубочки используются в металлургии, котельных установках, другом промышленном оборудовании. Трубы из кварца используются в электронагревающих агрегатах, химических установках, полупроводниковых системах и светотехнической индустрии.
Изделия из кварцевого стекла могут исполняться из прозрачного и непрозрачного силикатного стекла. Так, прозрачные колбы из кварца характеризуются:
Хорошей стойкостью к высоким температурам;
Инертностью к химическим соединениям;
Превосходной оптической прозрачностью.

Непрозрачные трубки из кварцевого стекла обладают следующими характеристиками:
Высокая теплопроводность в сравнении с прозрачными стеклами;
Низкая себестоимость;
Высокая стойкость к высоким температурам;
Стойкость к реактивам.
Силикатное стекло используется в судостроении (морском и космическом), при производстве смотровых фонарей, устройств, обеспечивающих визуальный контроль процесса производства, в химической и нефтеперерабатывающей индустрии.
В авиационном строении кварцевое стекло также нашло свое применение. Силикатное стекло в несколько слоев играет роль остекления кабин авиационного транспорта. В летательных аппаратах помимо остекления кабин из силикатного стекла обустраиваются системы обогрева этого же остекления.
Кроме прозрачного и непрозрачного кварца существует и цветное стекло. Цвет ему придается в процессе варки с добавлением оксидов цветных металлов (золота, меди и др.) При добавлении оксида железа получается стекло синего цвета, а при добавлении свинца – хрусталь. Он относится к уникальному подвиду декоративного силикатного стекла. В советское время наличие хрустальной посуды свидетельствовало о высоком статусе хозяина.
В наше время посуда из хрусталя утратила свое значение, а материал стал использоваться в изготовлении люстр, бра, настенных и настольных светильников.
Современный рынок диктует свои правила производителям кварцевого стекла, не оставляя им выбора