Le parcours du quartz, de minéral brut à matériau industriel de haute performance, commence par un broyage précis et une compréhension approfondie de ses caractéristiques fondamentales. Cet article présente une vue d'ensemble détaillée de la classification du quartz, de ses principales propriétés physiques et chimiques, ainsi que de ses diverses applications industrielles, soulignant pourquoi ce matériau est indispensable aux technologies modernes.
Les matériaux en quartz peuvent être classés selon leur état cristallin, leur pureté et leur usage prévu. Les systèmes de classification courants sont les suivants :
1. À l'état cristallin :
• Quartz cristallin : Cristaux de quartz naturels de forme géométrique régulière, que l'on trouve couramment dans le sable de quartz et le quartzite.
• Quartz non cristallin (verre de silice/quartz fondu) : Produit par fusion à haute température de minerai de quartz, il est dépourvu de structure cristalline à longue portée, ce qui lui confère une grande homogénéité et une grande stabilité.
2. Par pureté :
• Quartz de haute pureté : Pureté > 99,99%, convient aux applications de recherche optique, électronique et scientifique.
• Quartz de qualité métallurgique : pureté d'environ 90%, principalement utilisé en métallurgie et dans la construction.
• Quartz standard : Pureté inférieure à 90%, largement utilisé dans les produits du quotidien.
3. Sur demande :
• Quartz optique : Quartz de haute pureté utilisé pour la fabrication de lentilles, de prismes et de fibres optiques.
• Quartz piézoélectrique : Quartz à effet piézoélectrique, utilisé pour les capteurs et les oscillateurs.
• Quartz électronique : Quartz de haute pureté pour appareils électroniques et matériaux isolants.
Principaux paramètres physiques des matériaux en quartz
Les paramètres physiques du quartz influencent directement ses performances et ses applications. Voici quelques paramètres essentiels :
| Paramètre | Quartz cristallin | Verre de quartz (silice fondue) |
| Densité (ρ) | ~2,65 g/cm³ | ~2,2 g/cm³ |
| Coefficient de dilatation thermique (α) | ~0,28 x 10⁻⁶/K (RT) | ~0,55 x 10⁻⁶/K (RT) |
| Indice de réfraction (η) | – | 1,46 (Lumière visible) |
| Résistivité (ρ) | – | ≥1,0 x 10¹⁴ Ω·cm |
En résumé, les propriétés uniques du quartz lui confèrent de vastes perspectives d'application dans les domaines technologique et industriel. Approfondir notre compréhension de ces caractéristiques et perfectionner sans cesse les procédés de purification permettra d'élargir encore son champ d'application, favorisant ainsi le développement de nouveaux matériaux.
1. Propriétés physico-chimiques du quartz naturel et du quartz synthétique
Le quartz est un minéral chimique courant, prisé pour son excellente stabilité physico-chimique, ce qui explique son utilisation répandue en électronique, en optique et dans la construction. Selon son origine, il est principalement classé en quartz naturel ou synthétique ; ces deux types de quartz présentent des similitudes, mais aussi des différences importantes.
1. Propriétés physiques :
• Structure cristalline : Le quartz naturel et synthétique est principalement composé de α-SiO₂ (quartz basse température) et possède un système cristallin trigonal. À haute température (> 870 °C), il se transforme de manière réversible en β-SiO₂ (quartz haute température) de structure hexagonale.
• Propriétés optiques : Le quartz offre d’excellentes propriétés optiques, notamment une transmittance élevée, un faible coefficient d’absorption et des effets non linéaires. Sa plage de transmission s’étend de l’ultraviolet à l’infrarouge (de 220 nm à 2 450 nm environ).
• Propriétés mécaniques : Dureté élevée (Mohs 7), module d'élasticité élevé et bonne résistance à la compression, ce qui le rend résistant aux contraintes et à l'usure.
• Propriétés thermiques : Excellente stabilité thermique et l'un des coefficients de dilatation thermique les plus faibles parmi les oxydes (~5,5×10⁻⁷/K entre 20 et 200 °C), assurant une stabilité dimensionnelle à haute température.
2. Propriétés chimiques :
Les deux types présentent une grande stabilité chimique grâce à de fortes liaisons Si-O. Cependant, ils peuvent être attaqués par des agents puissants comme l'acide fluorhydrique (HF), selon la réaction suivante :
SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O
Le quartz synthétique, de par sa pureté supérieure, offre généralement une stabilité chimique plus élevée.
3. Silice fondue (verre de quartz)
Cette forme non cristalline, obtenue par fusion et refroidissement rapide du quartz, possède des propriétés distinctes :
• Transmittance plus élevée : due à l'absence de joints de grains diffusant la lumière.
• Faible résistance mécanique : Absence de structure cristalline de renforcement.
• Conductivité thermique plus élevée : absence de joints de grains pour entraver le flux de chaleur.
Malgré ces différences, il conserve une grande stabilité, un faible coefficient de dilatation thermique et un point de fusion élevé.
Le quartz synthétique est préféré pour les applications de haute pureté comme les lasers et les capteurs optiques, tandis que la silice fondue est idéale pour les environnements à haute température, sous vide poussé et corrosifs.
2. Formes cristallines et analyse structurale des matériaux en quartz
La symétrie et l'anisotropie du réseau cristallin du quartz sont cruciales pour comprendre ses propriétés mécaniques, optiques et électriques.
• Quartz α (Quartz commun) : La forme la plus courante. Groupe d'espace P3₁21. Présente un réseau continu de tétraèdres [SiO₄] connectés par partage de sommets, formant une structure cristalline hexagonale.
• β-QuartzExiste à haute température. Groupe d'espace C2/m (monoclinique). Sa structure est plus désordonnée que celle du quartz α.
• γ-Quartz : Il s'agit d'un polymorphe trigonal rare (groupe d'espace P3) présentant une structure cristalline plus complexe, composée de trois unités tétraédriques. On le rencontre plus fréquemment en milieu synthétique.
Des techniques avancées comme la HRTEM, la XRD et la MEB sont utilisées pour analyser les périodes du réseau cristallin, les défauts et les microfissures, fournissant ainsi la base théorique pour la conception de nouveaux matériaux à base de quartz aux propriétés sur mesure.
3. Classification industrielle et scénarios d'application
Sur le plan industriel, le quartz est classé en fonction de sa composition chimique, de sa teneur en impuretés et de ses propriétés physiques, qui influencent directement son application et sa valeur.
1. Classification industrielle :
La principale distinction s'opère entre le quartz naturel (par exemple, la silice, le silex, l'améthyste) et le quartz synthétique. Ce dernier se subdivise en :
| Catégorie | Composant principal | Teneur en impuretés (%) | Taille des particules d'impuretés (μm) | Caractéristiques clés |
| Silice/quartzite | SiO₂ | < 1 | 0.1 – 100 | Bonne transmission de la lumière, grande stabilité chimique, faible coefficient de dilatation thermique |
| Silex | SiO₂ | 1 – 5 | Varié | Haute résistance mécanique, mais faible transmission de la lumière |
| Améthyste | SiO₂ | Tracer | Varié | Présente des propriétés piézoélectriques et semi-conductrices ; sensibilité élevée aux dommages optiques |
| Verre de quartz (silice fondue) | SiO₂ (≥ 99,99%) | Très faible | 1 – 10,000 | Transmittance élevée, pureté élevée, faible dilatation thermique, résistance aux hautes températures et à la corrosion |
| Verre de quartz dopé | SiO₂ + Éléments dopants | Très faible | 1 – 10,000 | Diversité fonctionnelle, par exemple, coloration, filtrage IR, milieu laser |
• Verre de quartz (silice fondue)Reconnu pour sa grande pureté et ses excellentes propriétés physico-chimiques.
• Quartz cristallin synthétique : Apprécié pour ses effets piézoélectriques et pyroélectriques.
2. Scénarios d'application :
(1) Verre de quartz (silice fondue)
• Télécommunications : Matériau principal des préformes de fibres optiques, permettant une transmission de données à faible perte et à large bande passante.
• Optique : Utilisée pour les lentilles, les prismes, les fenêtres et les filtres dans des instruments comme les télescopes, les microscopes et les lasers en raison de sa transmittance élevée sur un large spectre.
• Électronique : Grâce à son excellente stabilité thermique et à son isolation électrique, il constitue un matériau clé pour les composants des tubes électroniques, les isolateurs et les bases d'oscillateurs à cristal.
• Biens de consommation : On les trouve dans les vitres des fours à pâtisserie, les cuves de réaction à haute température et les équipements de stérilisation médicale.
(2) Quartz cristallin
• Électronique : L'effet piézoélectrique est exploité pour créer des composants essentiels comme les oscillateurs à cristal et les résonateurs, assurant une synchronisation précise dans les téléphones, les ordinateurs et les appareils de communication.
• Détection : L'effet pyroélectrique est utilisé dans les capteurs thermiques et infrarouges pour les systèmes de mesure et de contrôle de la température.
• Énergie : Utilisée dans les céramiques piézoélectriques pour des applications de récupération d'énergie (conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique).
La classification industrielle du quartz est intrinsèquement liée à ses applications. Avec les progrès technologiques, la demande croissante de matériaux en quartz plus performants continuera de stimuler l'innovation dans les procédés de purification et le développement de nouveaux matériaux.
Équipements Epic Powder pour le broyage du quartz
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La ligne de traitement standard internationale, utilisée avec le classificateur, peut produire des produits avec plusieurs tailles de particules en même temps.
Caractéristiques:
Le contrôle de la taille des particules du produit est flexible, une conception spéciale est adoptée pour réduire le bruit et les émissions ; Contrôle automatique, facile à utiliser. Selon l'ampleur de l'investissement, il propose un schéma personnalisé et fournit des services à valeur ajoutée.
Application:
Carbonate de calcium (calcite, marbre, calcaire, craie), quartz, zircon, paillite, barytine, kaoline, dolomite, magnésite, alumine, ciment super fin, laitier, laitier d'acier.
Classificateur d'air horizontal
Caractéristiques:
Coupe de sommet précise et à grande vitesse ; processus de production propre ; système de contrôle de programme, facile à régler et à utiliser.
- Application:
Largement utilisé dans l'industrie minérale (particulièrement adaptée à la classification de produits non minéraux tels que le carbonate de calcium, le kaolin, le quartz, le talc, le mica), la métallurgie, les abrasifs, la céramique, les réfractaires, les médicaments, les pesticides, les aliments, les produits de santé, les nouveaux matériaux, etc. ..
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— Publié par Jason Wang, Ingénieur principal