Quarzglas

Allgemeines
Name	Quarzglas
Andere Namen	fused silica, Kieselglas
Summenformel	SiO2
Kurzbeschreibung	Glas aus reinem SiO2
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Dichte	2201 kg/m³
Zugfestigkeit (stark abh. v. Gestalt)	ca. 50 N/mm²
Härte	5,3–6,5 Mohs; 8,8 GPa
Verunreinigungen	typ. 10-1000 ppm
Optische Eigenschaften
Transmission	160-3500 nm
Brechzahl	1,46[1] bei 550 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)
Wärmeleitfähigkeit (2000 °C)	15 W/(m K)
Transformationspunkt	1130 °C
Erweichungstemperatur	1585 °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 Soda oder Calciumoxid enthält, also 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.

Aufgrund des amorphen Gefüges von Quarzglas gegenüber dem kristallinen Quarz ist die Bezeichnung Kieselglas passender. Natürlich erzeugtes 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]

Eigenschaften

• Durchlässigkeit für Infrarot- bis Ultraviolettstrahlung (ca. 3–3,5 µm sowie 200–2500 nm Wellenlänge)
• Geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient und hohe Temperaturwechselbeständigkeit
• Hohe chemische Beständigkeit: Quarzglas wird mit Ausnahme von Flusssäure und heißer Phosphorsäure von keiner Säure angegriffen und verhält sich gegenüber vielen anderen Stoffen neutral.
• Die Durchschlagsfestigkeit beträgt ca. 40 kV/mm, was Quarzglas zu einem guten Isolationsmaterial in elektrotechnischen Bauteilen wie Optokopplern macht.
• Die Erweichungstemperatur liegt deutlich höher als die von anderen Gläsern.

Anwendungen

• Fenster- und Linsenmaterial für Ultraviolett-Optik (Excimer-Laser, Fotolithografie)
• Isolationsschicht in Halbleiterbauelementen (MOS-Technologie)
• Kolben für Halogenglühlampen
• Entladungsgefäße für Quecksilberdampflampen (Hoch- und Höchstdrucklampen, auch Niederdrucklampen, wenn UV-Emission erwünscht ist)
• Material für Anlagen in der Halbleiterfertigung
• Küvetten für die instrumentelle Analytik
• Material für Lichtleitkabel (Laserstrahlübertragung, Nachrichtentechnik)
• Fenster des Space Shuttle
• Sicht- und Messfenster in heißen Umgebungen (Öfen, Motoren, Gasturbinen)
• Isolationsmaterial in Elektrotechnischen Bauteilen wie Optokopplern

Quarzglas besonderer Reinheit ist für Wellenlängen von 190–3500 nm transparent, hat jedoch normalerweise ein durch OH-Gruppen verursachtes Absorptionsband bei ca. 2500–3000 nm. Verbesserte Infrarot-Transmission zwischen Wellenlängen von 2200–3000 nm wird durch verringerten Hydroxyl- bzw. OH-Gruppen-Gehalt erreicht (normal: 100 ppm, verbesserte IR-Transmission: 1–3 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 Messaperturen und Zuführungskanäle unter 0,1 mm Durchmesser.
Wegen der teilweise sehr geringen spezifischen Absorption der Proben kann die Schichtdicke nicht beliebig verkleinert werden. Daraus folgt, dass immer geringere Querschnitte der Messaperturen und der Zuführungskanäle bis unter 0,1 mm 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 bis 4.000 nm, 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 erlaubt es, Bauteile, Rohre und Gefäße herzustellen, die Temperaturen von bis zu 1.400 °C standhalten.

Quellen

1. ↑ http://www.schott.com/austria/german/download/pocketkatalog_v_1.8_d.pdf?highlighted_text=quarzglas
2. ↑ Produktinformationsseite des Herstellers Heraeus-Quarzglas, www.heraeus-quarzglas.de
3. ↑ X.R. Zhang, X. Xu, A.M. Rubenchik: Simulation of microscale densification during femtosecond laser processing of dielectric materials. In: Applied Physics A: Materials Science & Processing. 79, Nr. 4, 2004, S. 945–948, doi:10.1007/s00339-004-2576-3. (Angabe des softening point: 1858K)
4. ↑ Chemische Reinheit von Quarzglas, www.heraeus-quarzglas.de
5. ↑ Richard Küch und Heraeus: Innovationen schaffen, Pressemitteilung der Heraeus Holding GmbH