الكوارتز المنصهر

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة
صُنعت هذه الكرة المصنوعة من الكوارتز المنصهر لاستخدامها في جيروسكوب في تجربة مسبار الجاذبية B. وهي من أدق الكرات التي صُنعت على الإطلاق، إذ لا يتجاوز انحرافها عن الشكل الكروي المثالي 40 ذرة من سمكها. [ 1 ]

الكوارتز المنصهر ، أو السيليكا المنصهرة ، أو زجاج الكوارتز، هو زجاج يتكون من السيليكا النقية تقريبًا (ثاني أكسيد السيليكون، SiO₂ ) في صورة غير متبلورة . ويختلف هذا عن جميع أنواع الزجاج التجاري الأخرى، مثل زجاج الصودا والجير ، وزجاج الرصاص ، وزجاج البوروسيليكات ، حيث تُضاف مكونات أخرى تُغير الخصائص البصرية والفيزيائية للزجاج، مثل خفض درجة حرارة الانصهار، أو نطاق النقل الطيفي، أو المتانة الميكانيكية. ولذلك، يتميز الكوارتز المنصهر بارتفاع درجات حرارة التشغيل والانصهار، مما يجعل تشكيله صعبًا وأقل ملاءمة لمعظم التطبيقات الشائعة، ولكنه في الوقت نفسه أقوى بكثير، وأكثر مقاومة للمواد الكيميائية، ويُظهر تمددًا حراريًا أقل ، مما يجعله أكثر ملاءمة للعديد من الاستخدامات المتخصصة، مثل الإضاءة والتطبيقات العلمية.

يُستخدم مصطلحا الكوارتز المنصهر والسيليكا المنصهرة بشكل متبادل، لكنهما قد يشيران إلى تقنيات تصنيع مختلفة، مما ينتج عنه شوائب ضئيلة متباينة. مع ذلك، يتميز الكوارتز المنصهر، لكونه في الحالة الزجاجية ، بخصائص فيزيائية مختلفة تمامًا عن الكوارتز البلوري ، على الرغم من أنهما مصنوعان من نفس المادة. أما السيليكا المنصهرة فهي مادة اصطناعية بالكامل. [ 2 ] وبفضل خصائصها الفيزيائية، تُستخدم السيليكا المنصهرة في تطبيقات متخصصة ، مثل تصنيع أشباه الموصلات ومعدات المختبرات.

بالمقارنة مع أنواع الزجاج الشائعة الأخرى، يمتد النقل البصري للسيليكا النقية بشكل جيد إلى أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء ، لذا يُستخدم في صناعة العدسات وغيرها من الأجهزة البصرية لهذه الأطوال الموجية. وبحسب عمليات التصنيع، تحدّ الشوائب من النقل البصري، مما ينتج عنه أنواع تجارية من الكوارتز المنصهر مُحسّنة للاستخدام في نطاق الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة فوق البنفسجية. كما أن معامل التمدد الحراري المنخفض للكوارتز المنصهر يجعله مادةً مفيدةً لركائز المرايا الدقيقة أو الأسطح البصرية المستوية . [ 3 ]

مرآة كوارتز منصهرة بطول 60 بوصة (150 سم) لتلسكوب ماكماث-بيرس الشمسي في عام 1962 
الأواني الزجاجية المختبرية المصنوعة من الكوارتز المنصهر

التصنيع

يُنتج الكوارتز المنصهر عن طريق صهر رمل السيليكا عالي النقاء، والذي يتكون من بلورات الكوارتز . وهناك أربعة أنواع أساسية من زجاج السيليكا التجاري:

  • يتم إنتاج النوع الأول عن طريق صهر الكوارتز الطبيعي كهربائياً في فراغ أو جو خامل.
  • يتم إنتاج النوع الثاني عن طريق صهر مسحوق بلورات الكوارتز في لهب ذي درجة حرارة عالية.
  • يتم إنتاج النوع الثالث عن طريق حرق SiCl 4 في لهب الهيدروجين والأكسجين .
  • يتم إنتاج النوع الرابع عن طريق حرق SiCl 4 في لهب بلازما خالٍ من بخار الماء. [ 4 ]

يحتوي الكوارتز على السيليكون والأكسجين فقط، مع أن زجاج الكوارتز التجاري غالباً ما يحتوي على شوائب. من أبرز هذه الشوائب الألومنيوم والتيتانيوم [ 5 ] اللذان يؤثران على النفاذية الضوئية عند أطوال الموجات فوق البنفسجية. في حال وجود الماء أثناء عملية التصنيع، قد تتغلغل مجموعات الهيدروكسيل (OH) مما يقلل من النفاذية في نطاق الأشعة تحت الحمراء.

الاندماج

تتم عملية الصهر عند درجة حرارة تقارب 2200  درجة مئوية (4000  درجة فهرنهايت) باستخدام فرن كهربائي (صهر كهربائي) أو فرن يعمل بالغاز/الأكسجين (صهر باللهب). [ 6 ] يمكن تصنيع السيليكا المنصهرة من أي مادة كيميائية غنية بالسيليكون تقريبًا ، وعادةً ما يتم ذلك باستخدام عملية مستمرة تتضمن أكسدة مركبات السيليكون المتطايرة باللهب إلى ثاني أكسيد السيليكون، ثم صهر الغبار الناتج حراريًا (مع وجود عمليات بديلة). ينتج عن ذلك زجاج شفاف ذو نقاء فائق ونفاذية ضوئية محسّنة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة. إحدى الطرق الشائعة تتضمن إضافة رابع كلوريد السيليكون إلى لهب الهيدروجين والأكسجين.

جودة المنتج

يكون الكوارتز المصهور شفافًا في العادة. إلا أنه قد يصبح شبه شفاف إذا ما احتُبست فقاعات هواء صغيرة داخله. ويُحدد محتوى الماء (وبالتالي نفاذية الأشعة تحت الحمراء) في الكوارتز المصهور بعملية التصنيع. يحتوي الكوارتز المصهور باللهب دائمًا على نسبة ماء أعلى نتيجةً لتفاعل الهيدروكربونات والأكسجين المُستخدم في تغذية الفرن، مما يُؤدي إلى تكوين مجموعات الهيدروكسيل [OH] داخل المادة. عادةً ما يكون محتوى [OH] في الكوارتز المصهور المُناسب للأشعة تحت الحمراء أقل من 10 جزء في المليون. [ 7 ]

التطبيقات

مرآة من الكوارتز المنصهر بقطر 2.4 متر لتلسكوب هابل الفضائي
تجاويف ليزر من الكوارتز المنصهر لتوليد ترددات مشطية

تستغل العديد من التطبيقات البصرية للكوارتز المنصهر نطاق شفافيته الواسع، الذي يمتد إلى الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء المتوسطة القريبة. ويُعد الكوارتز المنصهر المادة الأساسية لصناعة الألياف البصرية المستخدمة في الاتصالات.

بسبب قوته ودرجة انصهاره العالية (مقارنةً بالزجاج العادي )، يُستخدم الكوارتز المنصهر كغلاف لمصابيح الهالوجين ومصابيح التفريغ عالية الكثافة ، والتي يجب أن تعمل عند درجة حرارة عالية للغلاف لتحقيق مزيج من السطوع العالي والعمر الطويل. وقد استخدمت بعض أنابيب التفريغ عالية الطاقة أغلفة من السيليكا، حيث سهّل نفاذها الجيد للأشعة تحت الحمراء تبريد مصاعدها المتوهجة بالإشعاع .

بسبب قوته الفيزيائية، استُخدم الكوارتز المنصهر في مركبات الغوص العميق مثل الغواصة الكروية وجهاز قياس قاع البحر ، وفي نوافذ المركبات الفضائية المأهولة، بما في ذلك مكوك الفضاء ومحطة الفضاء الدولية . [ 8 ] كما استُخدم الكوارتز المنصهر في تطوير الدروع المركبة . [ 9 ]

في صناعة أشباه الموصلات، فإن مزيجها من القوة والاستقرار الحراري والشفافية للأشعة فوق البنفسجية يجعلها ركيزة ممتازة لأقنعة الإسقاط الخاصة بالطباعة الضوئية .

ذاكرة قراءة فقط قابلة للمسح والبرمجة كهربائياً (EPROM) مزودة بنافذة من الكوارتز المنصهر في الجزء العلوي من العبوة

تُستخدم شفافيته للأشعة فوق البنفسجية أيضًا كنوافذ في ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة ( EPROM )، وهي نوع من رقائق الذاكرة غير المتطايرة التي تُمسح بياناتها عند تعريضها لضوء فوق بنفسجي قوي. ويمكن تمييز ذاكرة EPROM من خلال نافذة الكوارتز المنصهر الشفافة (مع أن بعض الطرازات الأحدث تستخدم راتنجًا شفافًا للأشعة فوق البنفسجية) الموجودة أعلى الغلاف، والتي تُتيح رؤية شريحة السيليكون ، وتُمرر ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمسح البيانات. [ 10 ] [ 11 ]

نظراً لثباته الحراري وتركيبه، يُستخدم في تخزين البيانات البصرية خماسية الأبعاد [ 12 ] وفي أفران تصنيع أشباه الموصلات. [ 13 ] [ 14 ]

يتمتع الكوارتز المنصهر بخصائص مثالية تقريبًا لتصنيع المرايا السطحية الأولى، كتلك المستخدمة في التلسكوبات . يتصرف هذا المعدن بطريقة يمكن التنبؤ بها، مما يسمح لمصنّع العدسات بصقل السطح بدقة عالية جدًا، والحصول على الشكل المطلوب بأقل عدد من عمليات الاختبار. في بعض الحالات، استُخدم نوع عالي النقاء من الكوارتز المنصهر المقاوم للأشعة فوق البنفسجية في صناعة العديد من عناصر العدسات غير المطلية لعدسات ذات أغراض خاصة، بما في ذلك عدسة زايس 105  مم f/4.3 UV Sonnar، التي كانت تُصنع سابقًا لكاميرا هاسيلبلاد، وعدسة نيكون UV-Nikkor 105  مم  f/4.5 (التي تُباع حاليًا باسم نيكون PF10545MF-UV). تُستخدم هذه العدسات في التصوير بالأشعة فوق البنفسجية، نظرًا لشفافية زجاج الكوارتز عند أطوال موجية أقصر بكثير من العدسات المصنوعة من تركيبات زجاج الصوان أو زجاج التاج الأكثر شيوعًا .

يمكن طلاء الكوارتز المنصهر بالمعدن وحفره لاستخدامه كركيزة لدوائر الميكروويف عالية الدقة، كما أن استقراره الحراري يجعله خيارًا مناسبًا لمرشحات النطاق الضيق والتطبيقات المماثلة ذات المتطلبات العالية. يسمح ثابت العزل الكهربائي المنخفض مقارنةً بالألومينا بمسارات ذات مقاومة أعلى أو ركائز أرق، إلا أن الموصلية الحرارية المنخفضة جدًا تحد من استخدامه في دوائر الطاقة العالية.

تطبيقات المواد المقاومة للحرارة

يُستخدم الكوارتز المنصهر كمادة خام صناعية في صناعة أشكال حرارية متنوعة، مثل البواتق والصواني والأغطية والأسطوانات، للعديد من العمليات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية، بما في ذلك صناعة الصلب والصب الاستثماري وصناعة الزجاج. تتميز الأشكال الحرارية المصنوعة من الكوارتز المنصهر بمقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، وهي خاملة كيميائيًا تجاه معظم العناصر والمركبات، بما في ذلك جميع الأحماض تقريبًا، بغض النظر عن تركيزها، باستثناء حمض الهيدروفلوريك ، الذي يتفاعل بشدة حتى في التركيزات المنخفضة نسبيًا. تُستخدم أنابيب الكوارتز المنصهر الشفافة بشكل شائع لتغليف العناصر الكهربائية في سخانات الغرف والأفران الصناعية وغيرها من التطبيقات المماثلة.

نظرًا لانخفاض التخميد الميكانيكي فيه عند درجات الحرارة العادية، يُستخدم الكوارتز المنصهر في الرنانات عالية الجودة ، وخاصةً في رنان كأس النبيذ أو الجيروسكوب الرنان نصف الكروي. [ 15 ] [ 16 ] وللسبب نفسه، يُستخدم الكوارتز المنصهر أيضًا في صناعة الآلات الزجاجية الحديثة مثل القيثارة الزجاجية والفيروفون ، كما يُستخدم في إعادة تصميم الهارمونيكا الزجاجية التاريخية ، مما يمنح هذه الآلات نطاقًا ديناميكيًا أوسع وصوتًا أكثر وضوحًا مقارنةً بالبلور الرصاصي المستخدم تاريخيًا .

تُستخدم الأواني الزجاجية المصنوعة من الكوارتز أحيانًا في مختبرات الكيمياء عندما لا يتحمل زجاج البوروسيليكات القياسي درجات الحرارة العالية أو عند الحاجة إلى نفاذية عالية للأشعة فوق البنفسجية. وتُعدّ تكلفة إنتاجها مرتفعة بشكل ملحوظ، مما يحدّ من استخدامها؛ وعادةً ما توجد كعنصر أساسي منفرد، مثل أنبوب في فرن، أو كقارورة، حيث يكون العنصران مُعرّضين للحرارة بشكل مباشر.

خصائص الكوارتز المنصهر

معامل التمدد الحراري المنخفض للغاية، حوالي5.5 × 10 −7 /K (20–320  °C)، يفسر قدرتها الملحوظة على تحمل تغيرات كبيرة وسريعة في درجة الحرارة دون تشقق (انظر الصدمة الحرارية ).

التفسفر في الكوارتز المنصهر الناتج عن نبضة شديدة الكثافة من ضوء الأشعة فوق البنفسجية في أنبوب وميض، متمركزة عند 170 نانومتر

يُعدّ الكوارتز المنصهر عرضةً للتفسفر و" التغير اللوني الأرجواني" (الشمسية ) عند تعريضه لإضاءة فوق بنفسجية مكثفة، كما يُلاحظ غالبًا في أنابيب الوميض . أما السيليكا المنصهرة الاصطناعية "المخصصة للأشعة فوق البنفسجية" (والتي تُباع تحت أسماء تجارية مختلفة منها "HPFS" و"Spectrosil" و"Suprasil")، فتتميز بمحتوى منخفض جدًا من الشوائب المعدنية، مما يجعلها شفافة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية الأعمق.  يبلغ نفاذية عدسة بسمك 1 سم حوالي 50% عند طول موجي 170  نانومتر، وتنخفض إلى بضعة بالمئة فقط عند 160  نانومتر. مع ذلك، فإن نفاذيتها للأشعة تحت الحمراء محدودة بسبب امتصاص الماء القوي عند 2.2  ميكرومتر و2.7  ميكرومتر.

يتميز الكوارتز المنصهر "المخصص للأشعة تحت الحمراء" (يحمل أسماء تجارية مثل "إنفراسيل" و"فيتروسيل آي آر" وغيرها)، والذي يتم صهره كهربائياً، بوجود نسبة أعلى من الشوائب المعدنية، مما يحد من نفاذيته للأشعة فوق البنفسجية إلى حوالي 250  نانومتر، ولكنه يحتوي على نسبة أقل بكثير من الماء، مما يؤدي إلى نفاذية ممتازة للأشعة تحت الحمراء تصل إلى 3.6  ميكرومتر. تتمتع جميع أنواع الكوارتز المنصهر الشفاف/السيليكا المنصهرة بخصائص ميكانيكية متطابقة تقريباً.

معامل الانكسار

يمكن تقريب التشتت البصري للكوارتز المنصهر بواسطة معادلة سيلميير التالية : [ 17 ]

ε=ن2=1+0.6961663λ2λ2-0.06840432+0.4079426λ2λ2-0.11624142+0.8974794λ2λ2-9.8961612،{\displaystyle \varepsilon =n^{2}=1+{\frac {0.6961663\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0.0684043^{2}}}+{\frac {0.4079426\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0.1162414^{2}}}+{\frac {0.8974794\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-9.896161^{2}}},}

حيث الطول الموجيλ{\displaystyle \lambda }يُقاس بالميكرومتر. هذه المعادلة صالحة بين 0.21 و3.71  ميكرومتر وعند 20  درجة مئوية. [ 17 ] وقد تم تأكيد صحتها لأطوال موجية تصل إلى 6.7  ميكرومتر. [ 4 ] قام كيتامورا وآخرون [4 ] بمراجعة البيانات التجريبية للجزء الحقيقي (معامل الانكسار) والجزء التخيلي (معامل الامتصاص) من معامل الانكسار المركب للكوارتز المنصهر، والمنشورة في الأدبيات العلمية، ضمن النطاق الطيفي من 30 نانومتر إلى 1000  ميكرومتر ،  وهي متاحة عبر الإنترنت .

يُعدّ رقم آبي المرتفع نسبيًا ، البالغ 67.8، من بين أقل أنواع الزجاج تشتتًا عند الأطوال الموجية المرئية، فضلًا عن امتلاكه معامل انكسار منخفضًا للغاية في نطاق الضوء المرئي ( n<sub> d</sub>  =  1.4585). تجدر الإشارة إلى أن الكوارتز المنصهر يتميز بمعامل انكسار مختلف تمامًا وأقل بكثير مقارنةً بالكوارتز البلوري، الذي يتميز بانكسار مزدوج، حيث يبلغ معامل انكساره n <sub>o</sub>  =  1.5443 و n <sub>e</sub>  =  1.5534 عند الطول الموجي نفسه. وعلى الرغم من تشابه الصيغة الكيميائية لهذين النوعين، إلا أن اختلاف بنيتهما يؤدي إلى اختلاف خصائصهما البصرية والفيزيائية الأخرى.

قائمة الخصائص الفيزيائية

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هاردوود، دبليو. (20 أبريل 2004). "إطلاق مركبة فضائية لاختبار نظريات ألبرت أينشتاين" . سبيس فلايت ناو . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 مايو 2009 .
  2. ↑ "الكوارتز مقابل السيليكا المنصهرة: ما الفرق؟" . سويفت جلاس . 2015-09-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2017-08-18 .
  3. ^ دي يونج، برنارد إتش دبليو إس؛ بيركينز ، رود جي سي. فان نيجناتن، بيتر أ. (2000). "زجاج". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . دوى : 10.1002/14356007.a12_365 . رقم ISBN 3-527-30673-0.
  4. 1 2 3 كيتامورا، ري؛ بيلون، لوران؛ جوناسز، ميروسلاف (19 نوفمبر 2007). "الثوابت البصرية لزجاج السيليكا من الأشعة فوق البنفسجية القصوى إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة عند درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة" (ملف PDF) . البصريات التطبيقية . 46 (33): 8118-8133 . Bibcode : 2007ApOpt..46.8118K . doi : 10.1364/AO.46.008118 . PMID 18026551. S2CID 17169097. تاريخ الاسترجاع: 12 يوليو 2014 .  
  5. ↑ النقاء الكيميائي للكوارتز المنصهر / السيليكا المنصهرة ، www.heraeus-quarzglas.com
  6. ↑ فارشنيا، أرون ك. (2019). أساسيات الزجاج غير العضوي . جون سي. ماورو. أمستردام: إلسيفير إس آند تي. ISBN 978-0-12-816226-2. OCLC 1101101049 . 
  7. ↑ "الكوارتز المنصهر - Acemap" . ddescholar.acemap.info . تم ​​الاطلاع عليه بتاريخ 2023-07-04 .
  8. ↑ سالم، جوناثان (2012). "السيراميك المدرع الشفاف كنوافذ للمركبات الفضائية" . مجلة الجمعية الأمريكية للسيراميك .
  9. ↑ تقييم الدروع ذات النواة السيليكية لدبابة XM60، مؤرشف في 5 يونيو 2011، في أرشيف الإنترنت
  10. ↑ "Intel 1702A 2K (256 x 8) UV Erasable PROM" (PDF) .
  11. ↑ "تاريخ وحدة المعالجة المركزية - ذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائياً" . www.cpushack.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12-05-2021 .
  12. ↑ كازانسكي، ب.؛ وآخرون . (11 مارس 2016). "تخزين البيانات الأبدي خماسي الأبعاد عبر الكتابة بالليزر فائق السرعة في الزجاج" . غرفة أخبار SPIE. 
  13. ↑ "ألواح الكوارتز والسيليكا المنصهرة لتطبيقات أشباه الموصلات" . شركة هيرايوس القابضة المحدودة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 أغسطس 2022 .
  14. ↑ "خصائص الكوارتز" . finkenbeiner.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 أغسطس 2022 .
  15. ↑ نظرة عامة على تقنية الاستشعار بالقصور الذاتي بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) ، 1 فبراير 2003
  16. ↑ بن، ستيفن د.؛ هاري، غريغوري م.؛ غريتارسون، أندري م.؛ كيتلبرغر، سكوت إي.؛ سولسون، بيتر ر .؛ شيلر، جون ج.؛ سميث، جوشوا ر.؛ سوردز، سول أو. (2001). "قياس عامل الجودة العالي في السيليكا المنصهرة". مراجعة الأدوات العلمية . 72 (9): 3670-3673 . arXiv : gr-qc/0009035 . Bibcode : 2001RScI...72.3670P . doi : 10.1063/1.1394183 . S2CID 11630697 . 
  17. ماليتسون ، آي إتش (أكتوبر 1965). "مقارنة بين عينات معامل انكسار السيليكا المنصهرة" (ملف PDF) . مجلة الجمعية البصرية الأمريكية . 55 (10): 1205-1209 . رمز Bibcode : 1965JOSA...55.1205M . doi : 10.1364/JOSA.55.001205 . تاريخ الاسترجاع: 12 يوليو 2014 .
  18. ↑ "مفاهيم GENESYS من Keysight Technologies" (ملف PDF) . Keysight Technologies .
  19. ↑ "السيليكا المنصهرة" . أوبتكس لاند . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-06-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2016-02-27 .
  20. ↑ وابيلر، إم سي؛ ليوبولد، جيه؛ دراغونو، آي؛ فون إلفرفيلدت، دي؛ زايتسيف، إم؛ والراب، يو. (2014). "الخواص المغناطيسية للمواد لهندسة التصوير بالرنين المغناطيسي، والتصوير بالرنين المغناطيسي الدقيق، وما بعدهما". مجلة التصوير بالرنين المغناطيسي . 242 : 233-242 . arXiv : 1403.4760 . Bibcode : 2014JMagR.242..233W . doi : 10.1016/j.jmr.2014.02.005 . PMID: 24705364. S2CID : 11545416 .  
  21. ↑ قياس التوتر السطحي واللزوجة للزجاج البصري باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون الماسح
  22. ↑ علم هندسة البصريات، تأليف ستيفن رولت - دار نشر وايلي، 2020، الصفحات 211-213
  23. ↑ "معامل انكسار السيليكا المنصهرة (الكوارتز المنصهر)" . معامل الانكسار . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18-08-2017 .