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溶融石英の特性の中でも最も重要なのは、膨張率が 5.5 x 10-7 mm °C (20-320°C) と非常に低いことです。この膨張率は、銅の 1/34 、ホウケイ酸塩ガラスの 1/7 に過ぎません。このため、この素材は特に温度変化による影響を最低限に抑えることが必要なオプティカルフラット、鏡、炉ののぞき窓、および重要な光学用途に最適です。
また、膨張率の低さと関連した特性には、熱衝撃に対する抵抗力が著しく高いということが挙げられます。例えば、溶融石英の薄片を、高温に加熱して1500°C から急速に水に浸けても割れません。
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溶融石英のアニーリング
クオーツを酸水素炎によって加工すると、クオーツ中に熱応力が発生する場合があります。金属や他のガラス質の素材と同様に、この熱応力はアニーリングによって取り除くことができます。アニーリングの手法は単純ですが、誤解が生じやすく、使用中に部品が破損してしまう場合があります。アニーリングの手法を学ぶ前に、ガラスの熱特性に関する用語をあらかじめ理解しておく必要があります。石英のアニーリング手法の詳細については、右の「溶融石英のアニーリング」 PDF をご参照ください。
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溶融石英の経験的徐冷速度
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両面から冷却
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片面から冷却
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残留応力または設計は、用途にもよりますが、おそらく1.7 x 107 から20.4 x 107 Pa (25 から 300 psi) の範囲です。
一般的には、厚さ25mm以下であれば100°C/時で冷却することができます。
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温度の影響
溶融石英は室温では固体ですが、高温では他のガラスと同じように変化します。溶融石英には結晶質のようにはっきりと識別が可能な融解点はありませんが、非常に広範囲の温度で軟化します。固体からプラスチック状への変化は、温度とともに継続的に変化する粘性率によって判別し、この範囲を変態温度範囲と呼びます。
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歪点
粘性率は、せん断応力を加えた際の、流動性に対する物質の抵抗力を表します。「流動性」の幅は非常に広く、粘性率は通常、対数的に表します。粘性率を表す、一般的なガラスの用語には、ひずみ点、アニール点、軟化点などがあります。それぞれの定義は次の通りです。
ひずみ点 :内部応力が 4 時間で実質的に取り除かれる温度。この温度は、 1014.5 ポアズ、 ( ポアズ = ダイン /cm2 sec) の粘性率に該当します。
アニール点 :粘性率 1013.2 ポアズで、内部応力が実質的に 15 分で取り除かれる温度。
軟化点：粘性率、約 107.6 ポアズのガラスが、自らの重さによって形を崩す温度。溶融石英の軟化点は、計測する際の条件の違いにより、 1500°C から 1680°C の範囲内で変容します。
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失透
失透と粒子生成は、溶融石英の耐熱性における制約要素です。失透には、核生成と成長の 2 つの段階があります。一般的に、溶融石英の失透速度が低い理由は 2 つあります。クリストバライトの核生成が生じるのは自由表面だけだということと、結晶の成長速度は低いということです。
石英ガラス素材の核生成は、一般的に、アルカリ元素やその他の金属による表面汚染が原因となっています。Momentive のクオーツなど、非化学量論的な溶融石英は、化学量論的な石英素材よりも、異種核形成の速度が遅くなっています。
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クリストバライトの成長
核生成が生じる場所でのクリストバライトの成長率は、環境要因や材料特性によって異なります。温度やクオーツの粘性率は非常に大きな要因となっていますが、酸素や水蒸気の分圧も結晶の成長率に影響を与えます。このため、水酸基 (OH)- 含有量の増加、粘性率の低下、温度の上昇によって、溶融石英の失透率が増加します。Momentive Performance Materialsが提供する、高い粘性率と低い水酸基含有量を持つ溶融石英は、失透に対する抵抗力が優れています。
一般的に、ベータクリストバライトへの相転移は1000°C 未満では生じません。結晶の相転移が生じる温度の範囲 (250°C) で溶融石英をサイクル的に熱処理する場合、相転移は溶融石英構造の完全性に悪影響を与えます。この転移には密度の大きな変化を伴い、剥離や機械的な欠陥につながる場合があります。
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利点
クリストバライトは溶融石英のつぶれを防ぐ傾向があるため、用途によっては、失透が利点となる場合もあります。
例えば、拡散反応管が長時間、高温で使用される場合や、ベータからアルファへのクリストバライトの転位までのヒートサイクルは含まれない場合、回転操作手順が有効です。
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汚染
ほとんどの場合、汚染は有害です。特に、アルカリ溶液、塩、水蒸気は有害です。素手で溶融石英を扱うと、汗に含まれる多量な量のアルカリ成分によって、指紋が失透部分の上に残ります。表面の水滴をそのままにしておくと、水滴に含まれる空中の汚染物質によって、斑点や水滴の跡が残ります。
表面の汚染は、次の 2 つの方法で失透に影響します。第 1 に、汚染はクリストバライトの核生成を助長します。第 2 に、こうした汚染物質が溶剤となって、クリストバライトのベータ （高） トリジマイトへの変質を促します。
トリジマイトの失透が溶融石英の内部深くまで急速に浸透する場合があります。
溶融石英を加熱して温度を （約 2000°C まで） 上昇させると、SiO2 の分離や昇華が生じます。一般的に、この状態は、
SiO2 -> SiO + 1/2 O2 と考えます。この酸水素炎溶融で加工した溶融石英には、特に集中して過熱された箇所の周りに、かすみや煙の筋ができます。このかすんだ部分は、 SiO が空気中の酸素（おそらく水も）と再結合し、凝結されて非常に小さな非晶質の SiO2 粒子になるためにできるものです。酸水素炎で徐々に加熱することによって取り除くことができます。
還元が生じる状態で溶融石英を加熱すると、分離率が大きく上昇します。例えば、加熱中に黒鉛に近づけたり接触させると、SiO2 の分離速度が速くなります。
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つぶれに対する抵抗
溶融石英のつぶれに対する抵抗力に著しい影響を与える化学的要因は、水酸基 (OH)- の含有量です。Momentive では、クオーツに含まれる (OH)- 量を、個々のお客様のニーズに合わせて管理しています。
高温の半導体処理で使用されるチューブの性能を最大に高めるために、直径と肉厚の変化による影響を理解することが大切です。
GE 214LD 石英ガラスチューブを使用したある研究では、チューブの肉厚を増加すると、つぶれの割合が低くなると｢うことを発見しました。一般的に、肉厚を倍にすると、つぶれの割合は約 3 低減します。
また、肉厚が一定で、チューブの直径を小さくするとつぶれの割合が下がること明らかになりました。
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