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Eine der wichtigsten Eigenschaften von Quarzglas ist sein extrem niedriger Ausdehnungskoeffizient von 5,5 x 10-7 mm °C (20-320 °C). Das ist nur 1/34 des Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer und 1/7 des Ausdehnungskoeffizienten von Borsilikatglas. Dies macht Quarzglas besonders geeignet für optische Flachgläser, Spiegel, Ofenfenster und kritische optische Anwendungen, die eine minimale Empfindlichkeit gegen Wärmeänderungen voraussetzen.
Eine damit zusammenhängende Eigenschaft ist seine ungewöhnlich hohe Wärmeschockresistenz. So können zum Beispiel dünne Materialabschnitte schnell auf über 1500°C erhitzt und dann in Wasser getaucht werden, ohne zu springen.
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Glühen von Quarzglas
Bei der Wärmebearbeitung von Quarz können im Werkstück Spannungen entstehen. Wie bei Metallen und anderen glasartigen Materialien werden diese thermischen Spannungen durch Glühen gelöst. Die Prinzipien des Glühens sind unkompliziert. Werden sie jedoch nicht genau befolgt, können Teile während des Gebrauchs brechen. Zum Verständnis der Prinzipien des Glühens ist die Kenntnis grundlegender thermischer Eigenschaften des Glases erforderlich. Details zum Glühen von Quarz finden Sie im PDF-Dokument "Glühen von Quarzglas" auf der rechten Spalte dieser Webseite.
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Empirische Temperrate, geschmolzenes Quarzglas
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Kühlen von zwei Seiten:
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Kühlen von einer Seite:
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Der verbleibende Stress, abhängig von der Anwendung, liegt im Bereich von 1,7 X 1.7 x 107 to 20.4 x 107 Pa (25 bis 300 psi).
General ist es möglich mit 100°C/Stunde abzukühlen, wenn die Bereiche kleiner als 25 mm dick sind.
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Auswirkungen der Temperatur
Quarzglas ist bei Zimmertemperatur fest, verhält sich aber bei hohen Temperaturen wie alle Glasarten. Es hat keinen festen Schmelzpunkt wie kristalline Materialien, sondern erweicht innerhalb eines relativ großen Temperaturbereichs. Dieser Übergang von fest bis plastikartig wird als Umwandlungsbereich bezeichnet. Er ist durch eine kontinuierliche Änderung der Viskosität mit der Temperatur gekennzeichnet.
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Viskosität
Die Viskosität ist das Maß des Flusswiderstands eines Materials bei Schub- oder Scherbeanspruchung. Da die Werte für die "Fließfähigkeit" sehr große Bereiche umfassen können, wird die Viskositäts-Skala normalerweise logarithmisch dargestellt. Die Stadien der Viskosität werden mit den Begriffen Unterer Kühlpunkt, Oberer Kühlpunkt und Erweichungspunkt bezeichnet, die folgendermaßen definiert sind:
Unterer Kühlpunkt: Die Temperatur, bei der die inneren Spannungen innerhalb eines Zeitraums von vier Stunden deutlich reduziert werden. Das entspricht einer Viskosität von 1014,5 Poise, wobei Poise = Dyn/cm2 s.
Oberer Kühlpunkt: Die Temperatur, bei der die inneren Spannungen innerhalb von 15 Minuten weitgehend gelöst werden, entsprechend einer Viskosität von 1013,2 Poise.
Erweichungspunkt: Die Temperatur, bei der sich Glas unter seinem Eigengewicht verformt, Viskosität ca. 107,6 Poise. Der Erweichungspunkt von Quarzglas wird je nach den gewählten Messbedingungen zwischen 1500 und 1670°C angegeben.
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Entglasung
Die Leistung von Quarzglas bei hohen Temperaturen wird durch Entglasung und Partikelbildung eingeschränkt. Die Entglasung ist ein zweistufiger Prozess aus Kernbildung und Wachstum, die bei Quarzglas aus zwei Gründen langsam verläuft: Zum einen kommt es in der so genannten Cristobalit-Phase nur an der freien Oberfläche zur Bildung von Kristallisationskernen, zum anderen ist die kristalline Phase nur durch eine niedrige Wachstumsrate gekennzeichnet.
Die Kristallisationskernbildung wird bei Quarzglas-Materialien im Allgemeinen durch eine Oberflächenverunreinigung mit Alkalielementen und anderen Metallen ausgelöst. Diese heterogene Kernbildung verläuft bei nicht-stöchiometrischem Quarzglas - wie zum Beispiel Quarzglas von Momentive Performance Materials - langsamer als in stöchiometrischen Quarzmaterialien.
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Cristobalit-Wachstum
Die Geschwindigkeit des von den entstandenen Kristallisationskernen ausgehenden Cristobalit-Wachstums hängt von bestimmten Umgebungsfaktoren und den Eigenschaften des Materials ab. Die wichtigsten Faktoren sind die Temperatur und die Viskosität des Quarzes. Das Kristallwachstum wird jedoch auch durch den Partialdruck von Sauerstoff und Wasserdampf beeinflusst. Das heißt, dass die Entglasungsrate von Quarzglas mit steigendem Hydroxylgehalt, sinkender Viskosität und steigender Temperatur zunimmt. Besonders entglasungsresistent sind daher die Quarzglas-Materialien von Momentive Performance Materials mit hoher Viskosität und niedrigem Hydroxylgehalt.
Die Phasenumwandlung zu Beta-Cristobalit tritt normalerweise nicht unterhalb von 1000 °C auf. Bei Temperaturwechselbeanspruchung um den kristallographischen Umkehrtemperaturbereich (250 °C) kann diese Umwandlung die Struktur von Quarzglas angreifen. Diese Umkehr ist von einer gravierenden Änderung der Dichte begleitet und kann zum Abblättern und zum mechanischem Versagen des Materials führen.
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Vorteile
Da das Cristobalit die Durchbiegung von Quarzglas hemmt, kann die Entglasung auch für bestimmte Anwendungen genutzt werden.
So haben sich zum Beispiel bei Röhren für Diffusionsöfen, die längere Zeit unter hohen Temperaturen verwendet, jedoch keinen Temperaturen unterhalb der Umwandlungstemperatur von Beta- zu Alpha-Cristobalit ausgesetzt werden, Rotationsverfahren als nützlich erwiesen.
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Verunreinigungen
Fast alle Verunreinigungen wirken sich negativ aus. Besonders schädlich sind alkalische Lösungen, Salze oder Dämpfe. Bereits die bei der Berührung von Quarzglas mit bloßen Händen auf das Material gelangenden alkalischen Substanzen aus dem Schweiß genügen, um deutliche Entglasungserscheinungen in Form von Fingerabdrücken hervorzurufen. Nicht entfernte Wassertropfen können genügend Verunreinigungen aus der Luft binden, so dass Entglasungs- und Wasserflecken entstehen.
Verunreinigungen der Oberfläche beeinflussen die Entglasung doppelt: Zunächst begünstigt die Verunreinigung die Bildung von Cristobalit-Kernen. Dann wirkt sie als Flussmittel, das die Umwandlung des Cristobalits zu Beta-Tridymit beschleunigt.
Unter Umständen kann die Tridymit-Entglasung sich schnell tief ins Innere des Quarzglases ausdehnen.
Wenn das Quarzglas auf hohe Temperaturen (ca. 2000 °C) erwärmt wird, tritt folgende Dissoziation oder Sublimation des SiO2 auf:
SiO2 -> SiO + 1/2 O2.
Bei der Wärmebearbeitung von Quarzglas bildet sich daher an der am stärksten erwärmten Stelle ein nebliger oder rauchartiger Niederschlag aus. Dieser Niederschlag bildet sich wahrscheinlich aufgrund einer Reaktion des SiO mit dem Sauerstoff aus der Luft (und möglicherweise aus dem Wasser) zu amorphen SiO2-Partikeln. Er kann durch schonendes Erwärmen in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme von der Oberfläche entfernt werden.
Die Dissoziation ist deutlich erhöht, wenn das Quarzglas unter reduzierenden Bedingungen erwärmt wird. So führt zum Beispiel die Nähe zu oder der Kontakt mit Graphit während der Erwärmung zu einer beschleunigten Dissoziation des SiO2.
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Durchbiegungsresistenz
Der entscheidendste Faktor, der die Durchbiegungsresistenz von Quarzglas beeinflusst, ist der Hydroxylgehalt (OH)-. Momentive wählt den (OH)- Gehalt des Quarzglases entsprechend den jeweiligen Kundenanforderungen aus.
Um die Leistung von Rohren für Hochtemperatur-Halbleiterprozesse zu verbessern, ist die Kenntnis der Auswirkungen unterschiedlicher Durchmesser und Wandstärken erforderlich.
In einer Studie an Quarzglas-Rohren vom GE GE 214LD wurde festgestellt, dass die Durchbiegungsrate bei steigender Wandstärke der Rohre abnimmt. Bei verdoppelter Wandstärke sinkt die Durchbiegungsrate generell um einen Faktor von ca. 3.
Bei konstanter Wandstärke sinkt die Durchbiegungsrate mit abnehmendem Durchmesser des Rohres.
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Momentive Performance Materials
