Gute Gründe für den Werkstoff Quarzglas

Hohe Reinheit und chemische Resistenz

Hohe Temperaturbeständigkeit

Hohe Transparenz vom ultravioletten bis zum infraroten Spektralbereich

Eigenschaften von Quarzglas

Quarzglas ist eines der anspruchsvollsten aller Gläser für den Einsatz im technischen Bereich. Das Einkomponetenglas besteht aus reinem Siliziumdioxid. Als Ausgangsstoff für unsere Erzeugnisse nutzen wir Granulate aus natürlichen oder künstlich hergestellten Kristallen, die bei über 2000 °C zu amorphem Quarzglas geschmolzen werden.

Durch die Kombination einzigartiger thermischer, mechanischer und optischer Eigenschaften gehört Quarzglas zu den wichtigsten Werkstoffen für Industrie und Wissenschaft.

Für Hochtemperaturprozesse empfiehlt sich Quarzglas wegen seiner hohen Erweichungstemperatur und seiner hohen thermischen Belastbarkeit. Die hohe Temperaturbeständigkeit erlaubt den Einsatz in Anwendungen bis ca.1300 °C. Aufgrund dieser Eigenschaften und der hohen Reinheit sind Bauteile und Systeme aus Quarzglas seit Jahren fester Bestandteil technologischer Ausrüstungen in der Halbleiter- und Solarindustrie.

In der Lichtquellenfertigung gilt Quarzglas wegen seiner sehr guten Lichtdurchlässigkeit im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich als unentbehrlicher Werkstoff. 

In der chemischen Industrie und bei vielen Laborausrüstungen findet Quarzglas aufgrund der hohen Beständigkeit gegenüber Säuren, Salzlösungen und Wasser im Anlagen- und Gerätebau breite Anwendung. Quarzglas wird mit Ausnahme von Flusssäure und heißer Phosphorsäure von keiner Säure angegriffen und verhält sich gegenüber vielen anderen Stoffen neutral. 

Für die Elektrotechnik / Elektronik sind die sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, die hohe Durchschlagsfeldstärke und die geringen dielektrischen Verluste des Quarzglases gefragte Materialeigenschaften. 


Die Eigenschaften im Detail

Einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften von Gläsern, insbesondere die Transmission von Licht, hat der Gehalt  an Fremdelementen. Da Quarzglas als Einkomponentenglas naturgemäß nur sehr geringe Verunreinigungen im ppm-Bereich (parts per million) aufweist, zeigt es im Vergleich zu anderen Gläsern eine hohe Durchlässigkeit insbesondere für Ultraviolettstrahlung.  Dabei gilt: je höher die Reinheit des Materials – desto höher die Durchlässigkeit im Ultraviolettbereich. Aus diesem Grund weisen synthetisch hergestellte Quarzgläser mit sehr geringen Verunreinigungen die höchsten Transmissionen für UV-C Strahlung auf.

 

Die Tatsache, dass metallische Spurenelemente die UV-Kante zu höheren Wellenlängen verschiebt macht man sich bei der gezielten „Verunreinigung“ von Quarzgläsern zunutze: durch Dotierung von Quarzglas kann eine teilweise Absorption im UV-Bereich erzielt werden.

 

Im Infrarotbereich sind die durch die im Material vorhandenen OH-Gruppen verursachten Absorptionsbänder bei 2,5–3,0 μm charakteristisch. Das stärkste dieser Bänder bei 2,73 μm wird zur Bestimmung des Gehaltes an OH-Gruppen herangezogen. Dabei gilt: je geringer der OH-Gehalt im Material -  desto geringer die Absorption in diesem Wellenlängenbereich.

 

Durch Einwirkung von energiereicher UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung sowie der Beschuss mit hochenergetischen Teilchen kann die Transmission für Licht verschiedener Wellenlängenbereiche vermindert bzw. Quarzglas vollständig undurchlässig werden. 

Mechanische Eigenschaften (bei 20 °C)


Die Ergebnisse der Messungen mechanischer Eigenschaften werden durch die geometrische Form sowie die Oberflächengüte beeinflußt. Es können daher mehr oder weniger große Schwankungen auftreten. Für Festigkeitsberechnungen sind niedrigere Werte einzusetzen.

Dichte2,20g/cm3 Biegefestigkeit68 N/mm2
Druckfestigkeit1150 N/mm2 Elastizitätsmodul7,5x104 N/mm2
Zugefestigkeit50N/mm2 Mohs Härte5,5-6,5

 

Elektrische Eigenschaften

Dielektr. Verlustfaktor
(bei 7,5 GHz)
tg δ ≈ 5 x 10-4
Dielektrische Konstanteε ≈ 3,7 
bei 20°C und 7,5 GHz
Elektr. Durchschlagsfeldstärke
bei 20°C
bei 500°C

 

250 - 400 kV / cm
  40 -  50 kV / cm

Spez. elektrischer Widerstand
20°C1018 Ωm
100°C1016 Ωm
200°C4x1013 Ωm
400°C1010 Ωm
800°C6,3x10Ωm
1000°C10Ωm
1200°C1,3x10Ωm

 

 

Chemische Eigenschaften

1. Hydrolyseklasse nach DIN 12111
1. Säureklasse nach DIN 12116
1. Laugenklasse nach DIN 52322

Thermische Eigenschaften

ilmasil® PN

ilmasil® PI

ilmasil® 
PL

ilmasil® PO 1 /
PO 2
ilmasil® PQ

ilmasil® PN 235

ilmasil® PN 350

ilmasil® PS

ilmasil® PE

Erweichungsgrenze (Softening Point)
lg h (in dPas)=7.6
1730°C1730°C1730°C1730°C1715°C1730°C1730°C1730°C1730°C
Obere Entspannungsgrenze (Annealing Point)
lg h (in dPas)=13
1204°C1180°C1213°C1159°C / 
1169°C
1210°C1109°C1164°C1196°C1136°C
Untere Entspannungsgrenze (Strain Point )
lg h (in dPas)=14.5 
1054°C1048°C1060°C1043°C /
1048°C
1100°C959°C1040°C1052°C1014°C
Transformationsbereich: 1075 - 1210°C
Bearbeitungsbereich
bei lg h (in dPas) = 5 - 8  
1700-2100°C

Max. Gebrauchstemperatur

dauernd
kurzzeitig

 

1100°C
1300°C

Mittlerer linearer Ausdehnungskoeffizient
(20-300°C) 
  ca. 5,5 x 10-7 / °C

 

 

Entglasung

Entglasung (Devitrifikation) bezeichnet den Vorgang, bei dem sich partiell Kristalle bilden bzw. Quarzglas vollständig auskristallisiert. Dies geschieht bevorzugt bei hohen Temperaturen beim Vorhandensein von Kristallisationskeimen (Verunreinigungen)

In Abhängigkeit von der Oberflächenreinheit und der umgebenden Atmosphäre tritt bei 1265 °C eine Entglasungsgeschwindigkeit (Cristobalit-Wachstumsgeschwindigkeiten) im Bereich von 0,01- 1,0 µm / h auf

OH-Gehalt und Stabilität 

OH-Gruppen im Quarzglas werden durch Wasser, Gas-Flüssigkeitseinschlüsse im Rohstoff oder Brennergase verursacht und beim Schmelzvorgang in die Glasstruktur eingebaut.  In Abhängigkeit von der Spezifik des  Schmelzprozess verhalten sich die  OH-Gruppen bei thermischer Behandlung (z.B. Vakuumglühen) unterschiedlich

Der OH-Gehalt aller ilmasil® Materialien ist auch nach thermischer Belastung stabil: Die OH-Gruppen sind fest in der Struktur gebunden und können aufgrund der sehr geringen OH-Gruppendiffusionsgeschwindigkeit nicht bzw. nur sehr schwer durch Vakuumglühen gelöst werden. Bei einer Temperung bei 1000 °C unter Vakuum über einen Zeitraum von 30 Stunden beträgt die Abnahme des OH-Gehaltes maximal 3 ppm für klares Quarzglas und maximal 5 ppm für opakes Quarzglas.

Bestimmung des OH-Gehaltes von Quarzglas

Grundlage für die Bestimmung des Gehaltes an OH-Gruppen ist das Absorptionsmaximum der OH-Bande bei 2,73 µm.
Proben werden mittels IR-Spektrometer im Bereich von 2,5 bis 3 µm untersucht. Die Grundintensität wird im Bereich der Absorption durch die OH-Gruppen durch Anlegen einer Tangente ermittelt.
Die Berechnung des OH-Gehaltes erfolgt nach der Beziehung:

COH = 0,1 x log (I0 / I) x 1/d x 104COH OH-Gehalt in ppm
I0 Grundintensität bei 2,73 µm
IIntensität im Absorptionsmaximum
dProbenstärke in mm

Der Extinktionskoeffizient beträgt 77,5 l / Mol cm

Gasabgabe

Während einer Temperung unter Vakuum bei 1000 °C werden < 2,5 µl Gas / g Glas abgegeben.


Erhaltung der Eigenschaften von Quarzglas

Eine sorgfältige und sachgemäße Reinigung und Behandlung von Quarzglasprodukten sind wichtige Faktoren zur Erhaltung der Eigenschaften von Quarzglas und die Verlängerung der Lebensdauer. Quarzglas ist sehr empfindlich gegenüber Alkali- und Erdalkaliverbindungen, da bereits kleinste Spuren die Entglasung (Rekristalisation) bei hohen Temperaturen beschleunigen. Daher sollte Quarzglas prinzipiell nur mit Handschuhen berührt werden. Fingerabdrücke und die damit einhergehenden Alkalispuren sollten vor dem Einsatz mit Reinigungsalkohol entfernt werden.   

Für die einfache Reinigung vor und nach dem Einsatz empfehlen wir:

1. Produkte aus Quarzglas mit nichtalkalischen Reinigungsmitteln und/oder Reinigungsalkohol säubern

2. Nachreinigung in destilliertem (deionisiertem) Wasser

3. Trocknung in reiner Umgebung, danach schnellstmögliche Verpackung oder Verarbeitung.

Bei hartnäckigen Verunreinigungen bieten wir in Abhängigkeit von Art und Umfang der Kontamination eine Säurereinigung als Serviceleistung an.