Quarzglas: Eigenschaften, Anwendungen und Kaufratgeber | Nantong Xiangyang

Ein Pumplaserfenster in einer Photonikbaugruppe ist gerade nach 200.000 thermischen Zyklen ausgefallen. Der Fehlerbericht weist auf Natriummigration und Entglasung im Borosilikatfenster hin. Dies ist ein wiederkehrendes Problem, wenn gewöhnliches Glas in optischen Systemen im tiefen UV-Bereich oder bei hohen Temperaturen verwendet wird. Quarzglas versagt auf diese Weise nicht. Es handelt sich im Wesentlichen um reines Siliciumdioxid (SiO2) in amorpher Form und sein kontinuierliches Siliciumdioxid-Netzwerk verleiht ihm einen etwa sechsmal niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Borosilikatglas. Es lässt Licht vom tiefen Ultraviolett bis zum mittleren Infrarot durch und widersteht chemischen Angriffen, die Standardglas beschädigen. Deshalb setzen Halbleiterverarbeitung, Fotolithographie, Spektroskopie und Hochtemperatur-Beobachtungssysteme Quarzglas als Standardlösung ein. In diesem Leitfaden wird erklärt, was Quarzglas ist, wie es im Vergleich zu anderen Glasfamilien abschneidet und was Sie prüfen sollten, bevor Sie es für Ihr System spezifizieren.

Was ist Quarzglas?

Quarzglas ist ein nichtkristallines Glas aus nahezu reinem Siliziumdioxid. In einem Standard-Floatglas brechen Netzwerkmodifikatoren wie Natrium, Kalium und Kalzium das Silica-Netzwerk auf und erzeugen schwächere Bindungsstrukturen. In Quarzglas bleibt das Netzwerk ein kontinuierliches SiO2-Gerüst. Dieses Gerüst ist der physikalische Grund für den hohen Erweichungspunkt, die geringe Wärmeausdehnung, die Durchlässigkeit im tiefen UV-Bereich und die chemische Beständigkeit des Materials.

Auch der Produktionsweg beeinflusst die Endeigenschaften. Quarzglas wird normalerweise aus natürlichem Quarzkristall hergestellt, der bei etwa 2000 °C zerkleinert und geschmolzen wird. Quarzglas geht von einem synthetischen Vorläufer wie Siliziumtetrachlorid aus, der in einer Flamme oder einem Plasma hydrolysiert wird. Bei beiden Produkten handelt es sich um amorphes SiO2, synthetisches Quarzglas weist jedoch eine höhere Reinheit und einen kontrollierteren Hydroxylgehalt auf. Für viele optische Fenster-, Substrat- und Filteranwendungen liefert Quarzglas von einem erfahrenen Verarbeiter die erforderliche Transmission und thermische Stabilität zu geringeren Kosten als synthetisches Quarzglas.

Bei Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd. ist farbloses optisches Quarzglas eines der farblosen optischen Glasprodukte, die wir verarbeiten und liefern. Es ist in Blatt-, Platten- und Formformaten für optische Filter, Fenster, Prismen und Substrate erhältlich.

Farbloses optisches Quarzglas für optische Hochtemperatursysteme Dieses Quarzglas bietet hervorragende Transparenz, geringe chromatische Aberration und hohe Durchlässigkeit und eignet sich für Präzisionsinstrumente, Lasersysteme und optische Linsen, die thermische Stabilität erfordern. Produkt anzeigen →

Quarzglas vs. Quarzglas vs. Standardglas

Eine Vergleichstabelle ist der schnellste Weg, Quarzglas in die richtige Kategorie einzuordnen. Die Schlüsselvariablen sind Reinheit, UV-Durchlässigkeit, thermische Stabilität, chemische Beständigkeit und relative Kosten.

Der praktische Vorteil besteht darin, dass Borosilikatglas weiterhin für Laborglaswaren und allgemeine Fenster nützlich ist und Natronkalkglas für alltägliche Verglasungen gut geeignet ist. Wenn Ihr System jedoch eine funktionierende Übertragung bis hinunter zu 185 nm oder einen Dauerbetrieb über 450 °C benötigt, ist keines der beiden Materialien geeignet. Quarzglas überbrückt diese Lücke mit akzeptablen Kosten und bewährter optischer Leistung.

Haupteigenschaften von Quarzglas

Optikingenieure prüfen zunächst zwei Eigenschaften: Wärmeausdehnung und spektrale Transmission. Das folgende Balkendiagramm zeigt, wie sich der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von Quarzglas im Vergleich zu herkömmlichen Alternativen verhält.

Quarzglas hat einen WAK von etwa 0,55 × 10 ^-6 /K. Das ist etwa sechsmal niedriger als bei Borosilikatglas und sechzehnmal niedriger als bei Natronkalkglas. In der Praxis ändert ein 100 mm großes Quarzglasfenster seine Abmessungen um etwa 0,005 mm, wenn es auf 100 K erhitzt wird, während ein Natronkalkfenster um fast 0,09 mm wächst. Wenn Komponenten bei kontinuierlicher Erwärmung ihre Ausrichtung beibehalten müssen, entscheidet dieser Unterschied darüber, ob das System innerhalb der Toleranz bleibt.

Der nächste Leistungsfaktor ist die spektrale Transmission. Das folgende Diagramm vergleicht die Transmissionskurven von Quarzglas, Borosilikatglas und Kalknatronglas im Bereich von 200–2000 nm.

Das gleiche Material bietet auch eine kontinuierliche Transmission von 185 nm bis in den mittleren Infrarotbereich mit vernachlässigbarer Absorption im Bereich von 200–2000 nm. Aufgrund dieser Breitbandtransparenz verwenden Spektroskopie, Lasersysteme und Fotolithographie Quarzglas als Fenster-, Prismen- und Substratmaterial. In einer oxidierenden Umgebung kann es kontinuierlich bei 1100 °C betrieben werden, bei entsprechender Unterstützung sind auch kurze Ausschläge bis 1300 °C möglich.

Wie wird Quarzglas hergestellt?

Der Produktionsweg gliedert sich in das Schmelzen von Naturquarz und die synthetische Abscheidung. Bei Quarzglas beginnt der Prozess mit gereinigtem natürlichem Quarzkristall, der auf eine kontrollierte Größe zerkleinert und dann in einem Durchlaufofen bei etwa 2000 °C geschmolzen wird. Die Schmelze fließt aus einer Platin- oder Keramikdüse und wird langsam abgekühlt, um eine Entglasung zu verhindern. Die isometrische Struktur unten veranschaulicht die Plattenform, die die meisten optischen Komponenten verwenden.

Nach dem Schmelzen und langsamen Abkühlen wird das Glas geschnitten, grob geschliffen und fein poliert. Bei optischen Komponenten erreicht die endgültige Oberflächenqualität in der Regel 40/20 Scratch-Dig oder besser, wobei die Ebenheit auf einen Bruchteil einer Wellenlänge kontrolliert wird. Die Prüfung umfasst Doppelbrechung, Blasengehalt und Transmission bei den Wellenlängen, bei denen der Kunde die Komponente betreiben wird.

Bei der Syntheseroute wird Siliziumtetrachlorid in einer Hochtemperaturflamme oder einem Hochtemperaturplasma hydrolysiert, um SiO2 direkt abzuscheiden. Das resultierende Quarzglas weist weniger metallische Verunreinigungen auf und kann für einen bestimmten OH-Gehalt entwickelt werden, was wichtig ist, wenn die Anwendung eine hohe Transmission in der Nähe von 2,7 µm erfordert. Allerdings sind die Verarbeitungskosten deutlich höher als bei Quarzglas, sodass die Wahl vom erforderlichen Spektralband und Budget abhängt.

Wo wird Quarzglas verwendet?

Quarzglas wird in mehreren Technologiebereichen vom Rohstoff zum hochwertigen Endprodukt.

• Halbleiterverarbeitung: Quarzfenster, Sichtfenster und Ofenkomponenten bewältigen wiederholte Temperaturwechsel und korrosive Gase.
• UV-Photolithographie: Maskensubstrate und Linsenfenster erfordern eine Durchlässigkeit im tiefen UV-Bereich mit minimaler Absorption.
• Spektroskopie: Küvetten und Probenküvetten benötigen für präzise Analyseergebnisse eine breite spektrale Transparenz.
• Lasersysteme: Strahlteiler und Schutzfenster nutzen das Material als zuverlässiges optisches Medium.
• Hochtemperatur-Schaugläser: Ofenbeobachtungsöffnungen müssen gegen Temperaturschocks und oxidative Angriffe beständig sein.
• Präzisionsoptiken: Prismen, Spiegel und Filtersubstrate profitieren von geringer thermischer Verzerrung und gleichmäßigem Brechungsindex.

Für Unternehmen, die Quarzglas für diese Anwendungen benötigen, ist die Auswahl eines Prozessors mit echter optischer Erfahrung wichtiger als der Vergleich der Grundpreise. Unser Produktionsstätte In Nantong Xiangyang werden farbloses optisches Quarzglas und andere farblose optische Glasarten nach Kundenzeichnungen sowohl für inländische als auch für ausländische Kunden verarbeitet.

So wählen Sie hochwertiges Quarzglas aus

Eine kurze Einkaufscheckliste ist in der Praxis nützlicher als ein langes Lastenheft. Die folgenden fünf Punkte behandeln die Entscheidungen, die sich auf die tatsächliche Systemleistung auswirken.

1. Passen Sie die Übertragungsanforderung an den OH-Gehalt an. Für UV-Anwendungen sorgt Quarzglas mit niedrigem OH-Gehalt für eine bessere Durchlässigkeit im tiefen UV-Bereich. Bei Verwendung im mittleren IR-Bereich kann ein hoher OH-Gehalt die Absorption um etwa 2,7 µm verringern.
2. Bestätigen Sie die thermische Spezifikation. Erkundigen Sie sich beim Lieferanten nach der Dauergebrauchstemperatur und der kurzfristigen Spitzentemperatur, da die Erweichungstemperatur von der Reinheit und der Umformmethode abhängt.
3. Oberflächenqualität und Ebenheit prüfen. Bei optischen Fenstern ist 40/20 Scratch-Dig ein üblicher Ausgangspunkt. Wenn das Bauteil in einen Laserhohlraum gelangt, fordern Sie eine engere Ebenheit und einen geringeren Wellenfrontfehler.
4. Überprüfen Sie die Reinheit und Blasentoleranz. Das Vorhandensein von Blasen und metallischen Verunreinigungen wirkt sich direkt auf die Streuung und Absorption in anspruchsvollen Systemen aus.
5. Fragen Sie nach Individualisierung. Nicht standardmäßige Größen, geformte Prismen, Löcher und Montageschlitze sind praktisch, wenn der Lieferant das Glas im eigenen Haus verarbeiten kann.

Für ein typisches UV-Fenster sollte der Lieferant dokumentierte Transmissionsdaten bereitstellen. Wenn Sie nach einer Transmissionskurve von 185 nm bis 2500 nm fragen, erhalten Sie einen direkten Vergleich mit Ihren Systemanforderungen und können ein ordnungsgemäß verarbeitetes Glas von einem generischen Material unterscheiden. Weitere Informationen zur Verwendung von farblosem optischem Glas in verschiedenen Branchen finden Sie in diesem Leitfaden unter farblose optische Glasanwendungen .

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Wenn die Anwendung eine möglichst geringe Absorption im sichtbaren Bereich erfordert, ist ultraweißes, farbloses optisches Glas eine geeignete Option. Es behält eine polierte Oberfläche und einen geringen Blasengehalt für präzise Bildgebungs- und Beleuchtungssysteme.

Häufig gestellte Fragen