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Quarzglas

Glassorten ohne Natrium und ohne Calcium und mit hohem Schmelzpunkt
Allgemeines
Name Quarzglas
Andere Namen fused silica, Kieselglas
Summenformel SiO2
Kurzbeschreibung Glas aus reinem SiO2
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Dichte 2,201 g/cm³
Zugfestigkeit (stark abhängig von
Gestalt und Oberflächenqualität)
ca. 50 N/mm²
Härte 5,3–6,5 Mohs; 8,8 GPa
Schallgeschwindigkeit, longitudinal 5930 m/s
Schallgeschwindigkeit, transversal 3750 m/s
Verunreinigungen typ. 10–1000 ppm
Optische Eigenschaften
Transmission 170–5000 nm
Brechungsindex 1,46[1] bei 589,3 nm
Brewster-Winkel 55,58°
Thermische Eigenschaften
Wärmeausdehnungskoeffizient 0 … 600 °C 0,54 10−6 K−1[2]
Spezifische Wärmekapazität 0 … 900 °C 1052 J/(kg K)
Wärmeleitfähigkeit (20 °C) 1,38 W/(m K)
Phononen-Wärmeleitfähigkeit (2000 °C) 15 W/(m K)
Transformationspunkt 1130 °C
Littletontemperatur 1760 °C[3]
Verarbeitungstemperatur >2000 °C
Siedepunkt 2230 °C

Quarzglas, auch als Kieselglas bezeichnet, ist ein Glas, das im Gegensatz zu den gebräuchlichen Gläsern keine Beimengungen von Natriumcarbonat oder Calciumoxid enthält, d. h. aus reinem Siliziumdioxid (SiO2) besteht. Industriell hergestelltes Quarzglas hat abhängig vom Vormaterial und Fertigungsprozess unterschiedliche Konzentrationen von Verunreinigungen, die im ppm- bzw. für synthetisches Kieselglas im ppb-Bereich liegen.[4]

Es kann durch Aufschmelzung und Wiedererstarrung von Quarz (Quarzsand oder künstlich hergestellt) gewonnen werden, daher auch die Bezeichnung Quarzglas und die englische Bezeichnung fused quartz oder fused silica.

Natürlich vorkommendes Quarzglas wird als Lechatelierit bezeichnet.

Richard Küch (1860–1915), Physiker und Chemiker, entdeckte 1899, dass Siliziumdioxid in einer Knallgasflamme blasenfrei und in höchster Reinheit zu schmelzen ist, und machte Quarzglas für die Industrie als Massenprodukt verwendbar.[5]

EigenschaftenBearbeiten

AnwendungenBearbeiten

Quarzglas hoher Reinheit ist im Wellenlängenbereich von 190 nm bis 3,5 µm transparent, hat jedoch normalerweise ein durch OH-Gruppen verursachtes Absorptionsband um die 2,5 bis 3 µm. Verbesserte Infrarot-Transmission bei Wellenlängen von 2,2 bis 3 µm wird durch verringerten Hydroxy-Gruppen-(OH-Gruppen-)Gehalt erreicht. Der Normalwert liegt bei 100 ppm, bei verbesserter IR-Transmission unterhalb von 1 bis 3 ppm.

Durch Dotierung mit Titan kann UV-C-Absorption, durch Cer-Dotierung kann Absorption im gesamten Ultraviolettbereich erreicht werden (UV-blockende Halogenglühlampen).

 
Quarzglas-Wafer mit Mikrokanalstruktur als Vorprodukt für eine Losgröße Nanoliter-Küvetten

In der instrumentellen Analytik werden Küvetten aus Quarzglas zur Messung von Volumina unter 50 nl eingesetzt. Erst die besonderen Eigenschaften des Quarzglases ermöglichen Messapparaturen und Zuführungskanäle unter 100 µm Durchmesser.
Wegen der teilweise sehr geringen spezifischen Absorption der Proben kann die Schichtdicke nicht beliebig verkleinert werden. Daraus folgt, dass immer geringere Querschnitte der Messapparaturen und der Zuführungskanäle bis unter 100 µm Durchmesser gefordert sind. So werden Messvolumen von weniger als 50 nl erreicht. Die Fertigung erfolgt mittels Mikrolithographie und Ätzen. Weitere wichtige Eigenschaften von Quarzglas für die Herstellung von Küvetten sind sein hoher Reintransmissionsgrad zwischen etwa 200 nm bis 4 µm, seine gute chemische Widerstandsfähigkeit und die geringe elektrische Leitfähigkeit.

Nachteilig ist, dass Quarzglas schwer zu verarbeiten ist.

Der sehr niedrige Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas bewirkt dessen hohe Temperaturwechselbeständigkeit. Dies und die hohe Erweichungstemperatur des Quarzglases erlauben es, Bauteile, Rohre und Gefäße herzustellen, die Temperaturen bis max. 1400 °C standhalten.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Thomas Jüstel, Sebastian Schwung: Leuchtstoffe, Lichtquellen, Laser, Lumineszenz. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-48455-5, S. 207 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Produktinformationsseite des Herstellers Heraeus Conamic, www.heraeus-conamic.de
  3. H. Scholze: Glas. Natur, Struktur und Eigenschaften. 1988, ISBN 3-540-18977-7, S. 154.
  4. Chemische Reinheit von Quarzglas, www.heraeus-conamic.de
  5. Richard Küch und Heraeus: Innovationen schaffen, Pressemitteilung der Heraeus Holding GmbH
  6. Produktinformationsseite des Kristall-Händlers Korth Kristalle, www.korth.de, abgerufen am 21. Juni 2012
  7. H. Scholze: Glas. Natur, Struktur und Eigenschaften. 1988, ISBN 3-540-18977-7, S. 213 f.