Путь кварца от минерального сырья до высокоэффективного промышленного материала начинается с точной шлифовки кварцевого камня и глубокого понимания его фундаментальных характеристик. В этой статье представлен подробный обзор классификации кварцевого материала, его основных физических и химических свойств, а также различных сфер промышленного применения, демонстрирующий, почему этот материал незаменим в современных технологиях.
Кварцевые материалы можно классифицировать по их кристаллическому состоянию, чистоте и назначению. Распространенные системы классификации следующие:
1. По кристаллическому состоянию:
• Кристаллический кварц: природные кристаллы кварца правильной геометрической формы, обычно встречающиеся в кварцевом песке и кварците.
• Некристаллический кварц (плавленый кварц/кварцевое стекло): производится путем высокотемпературной плавки кварцевой руды, не имеет дальнемасштабной кристаллической структуры, что обеспечивает высокую однородность и стабильность.
2. По чистоте:
• Высокочистый кварц: чистота >99,99%, подходит для оптических, электронных и научных исследований.
• Металлургический кварц: чистота около 90%, в основном используется в металлургии и строительстве.
• Стандартный кварц: чистота ниже 90%, широко используется в повседневных изделиях.
3. По применению:
• Оптический кварц: кварц высокой чистоты для изготовления линз, призм и оптических волокон.
• Пьезоэлектрический кварц: кварц с пьезоэлектрическим эффектом, используемый в датчиках и генераторах.
• Электронный кварц: высокочистый кварц для электронных устройств и изоляционных материалов.
Основные физические параметры кварцевых материалов
Физические параметры кварца напрямую влияют на его эксплуатационные характеристики и области применения. Вот некоторые из важнейших параметров:
| Параметр | Кристаллический кварц | Кварцевое стекло (плавленый кварц) |
| Плотность (ρ) | ~2,65 г/см³ | ~2,2 г/см³ |
| Коэффициент теплового расширения (α) | ~0,28 x 10⁻⁶/K (RT) | ~0,55 x 10⁻⁶/K (RT) |
| Показатель преломления (η) | – | 1.46 (видимый свет) |
| Удельное сопротивление (ρ) | – | ≥1,0 x 10¹⁴ Ом·см |
Подводя итог, можно сказать, что уникальные свойства кварца открывают ему широкие перспективы применения в технике и промышленности. Углубление понимания этих характеристик и постоянное совершенствование процессов очистки будут способствовать дальнейшему расширению области его применения, стимулируя разработку новых материалов.
1. Физико-химические свойства натурального и синтетического кварца
Кварц — распространённый химический минерал, ценимый за свою превосходную физико-химическую стабильность, что обусловило его широкое применение в электронике, оптике и строительстве. В зависимости от происхождения его в основном подразделяют на природный и синтетический, что имеет общие черты, но также имеет и существенные различия.
1. Физические свойства:
• Кристаллическая структура: как природный, так и синтетический кварц в основном представляет собой α-SiO₂ (низкотемпературный кварц) с тригональной сингонией. При высоких температурах (>870 °C) он обратимо превращается в β-SiO₂ (высокотемпературный кварц) с гексагональной структурой.
• Оптические свойства: кварц обладает превосходными оптическими свойствами, включая высокий коэффициент пропускания, низкий коэффициент поглощения и нелинейные эффекты. Диапазон его пропускания простирается от ультрафиолетового до инфракрасного (от ~220 нм до ~2450 нм).
• Механические свойства: высокая твердость (по шкале Мооса 7), высокий модуль упругости и хорошая прочность на сжатие, что делает его устойчивым к нагрузкам и износу.
• Термические свойства: отличная термическая стабильность и один из самых низких коэффициентов термического расширения среди оксидов (~5,5×10⁻⁷/K в диапазоне 20–200 °C), что обеспечивает размерную стабильность при высоких температурах.
2. Химические свойства:
Оба типа обладают высокой химической стабильностью благодаря прочным связям Si-O. Однако они могут быть протравлены сильными реагентами, такими как плавиковая кислота (HF), по следующей реакции:
SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O
Синтетический кварц, благодаря своей более высокой чистоте, обычно обладает превосходной химической стабильностью.
3. Плавленый кварц (кварцевое стекло)
Эта некристаллическая форма, полученная путем плавления и быстрого охлаждения кварца, обладает особыми свойствами:
• Более высокая светопропускаемость: из-за отсутствия рассеивающих свет границ зерен.
• Более низкая механическая прочность: отсутствует армирующая кристаллическая структура.
• Более высокая теплопроводность: отсутствие границ зерен, препятствующих потоку тепла.
Несмотря на эти различия, он сохраняет высокую стабильность, низкое тепловое расширение и высокую температуру плавления.
Синтетический кварц предпочтителен для высокочистых применений, таких как лазеры и оптические датчики, в то время как плавленый кварц идеально подходит для высокотемпературных, высоковакуумных и коррозионных сред.
2. Анализ кристаллических форм и структуры кварцевых материалов
Симметрия решетки и анизотропия кварца имеют решающее значение для понимания его механических, оптических и электрических свойств.
• α-кварц (Обыкновенный кварц): Наиболее распространённая форма. Пространственная группа P3₁21. Представляет собой непрерывную сеть тетраэдров [SiO₄], соединённых общими вершинами, образуя гексагональную кристаллическую структуру.
• β-кварц: Существует при высоких температурах. Пространственная группа C2/m (моноклинная). Структура более разупорядочена по сравнению с α-кварцем.
• γ-кварц: Редкий тригональный полиморф (пространственная группа P3) с более сложной структурой решетки, включающей три тетраэдрических блока. Чаще встречается в синтетических средах.
Для анализа периодов решетки, дефектов и микротрещин используются такие передовые методы, как HRTEM, XRD и SEM, что обеспечивает теоретическую основу для проектирования новых материалов на основе кварца с заданными свойствами.
3. Промышленная классификация и сценарии применения
В промышленности кварц классифицируется на основе химического состава, содержания примесей и физических свойств, которые напрямую влияют на его применение и ценность.
1. Отраслевая классификация:
Основное разделение проводится на природный кварц (например, кремень, кремень, аметист) и синтетический кварц. Синтетический кварц также подразделяется на:
| Категория | Основной компонент | Содержание примесей (%) | Размер частиц примесей (мкм) | Ключевые характеристики |
| Кремнезем/кварцит | SiO₂ | < 1 | 0.1 – 100 | Хорошая светопропускаемость, высокая химическая стабильность, низкий коэффициент теплового расширения |
| Флинт | SiO₂ | 1 – 5 | Разнообразный | Высокая механическая прочность, но плохое пропускание света |
| Аметист | SiO₂ | След | Разнообразный | Обладает пьезоэлектрическими и полупроводниковыми свойствами; высокая чувствительность к оптическим повреждениям |
| Кварцевое стекло (плавленый кварц) | SiO₂ (≥ 99,99%) | Очень низкий | 1 – 10,000 | Высокая светопропускаемость, высокая чистота, низкое тепловое расширение, высокая термостойкость и коррозионная стойкость |
| Легированное кварцевое стекло | SiO₂ + легирующие элементы | Очень низкий | 1 – 10,000 | Функциональное разнообразие, например, окраска, ИК-фильтрация, лазерная среда |
• Кварцевое стекло (плавленый кварц): Известен высокой чистотой и превосходными физико-химическими свойствами.
• Синтетический кристаллический кварц: Ценится за свои пьезоэлектрические и пироэлектрические эффекты.
2. Сценарии применения:
(1) Кварцевое стекло (плавленый кварц)
• Телекоммуникации: основной материал для заготовок оптического волокна, обеспечивающий передачу данных с малыми потерями и высокой пропускной способностью.
• Оптика: используется для линз, призм, окон и фильтров в таких приборах, как телескопы, микроскопы и лазеры, благодаря своей высокой пропускающей способности в широком спектре.
• Электроника: служит основным материалом для компонентов электронных ламп, изоляторов и оснований кварцевых генераторов благодаря своей превосходной термостойкости и электроизоляции.
• Потребительские товары: встречаются в окнах духовок, высокотемпературных реакционных котлах и медицинском стерилизационном оборудовании.
(2) Кристаллический кварц
• Электроника: пьезоэлектрический эффект используется для создания таких важных компонентов, как кварцевые генераторы и резонаторы, обеспечивающих точную синхронизацию в телефонах, компьютерах и устройствах связи.
• Датчики: пироэлектрический эффект используется в тепловых и инфракрасных датчиках для систем измерения и контроля температуры.
• Энергия: используется в пьезоэлектрической керамике для сбора энергии (преобразования механической энергии в электрическую).
Промышленная классификация кварца неразрывно связана с областями его применения. По мере развития технологий спрос на кварцевые материалы с более высокими эксплуатационными характеристиками будет и дальше стимулировать инновации в процессах очистки и разработку новых материалов.
Оборудование Epic Powder для измельчения кварца
Линия по производству шаровых мельниц и классификаторов карбоната кальция
Технологическая линия международного стандарта, используемая с классификатором, может производить продукты с частицами разного размера одновременно.
Функции:
Контроль размера частиц продукта является гибким, специальная конструкция используется для снижения шума и выбросов; Автоматическое управление, простота в эксплуатации. В зависимости от масштаба инвестиций он обеспечивает индивидуальную индивидуальную схему и предоставляет услуги с добавленной стоимостью.
Приложение:
Карбонат кальция (кальцит, мрамор, известняк, мел), кварц, циркон, пайлит, барит, каолин, доломит, магнезит, глинозем, сверхтонкий цемент, шлак, стальной шлак.
Горизонтальный воздушный классификатор
Функции:
Высокая скорость и точная вершинная резка; чистый производственный процесс; система программного управления, простая в настройке и эксплуатации.
- Приложение:
Широко используется в горнодобывающей промышленности (особенно подходит для классификации неминеральных продуктов, таких как карбонат кальция, каолин, кварц, тальк, слюда), металлургии, абразивов, керамики, огнеупорных материалов, медицины, пестицидов, продуктов питания, товаров медицинского назначения, новых материалов и т. д. ..
Эпический порошок
Путь от необработанного кварца до современных промышленных материалов требует точности на каждом этапе, особенно в критически важных процессах измельчения и классификации кварцевого камня. Эпический порошок Мы предлагаем решения для измельчения и классификации, разработанные для работы с чрезвычайно твёрдым кварцем, обеспечивая высокую чистоту, точное распределение размеров частиц и оптимальную производительность для вашего конкретного применения. Увеличьте производительность и ценность вашего продукта, сотрудничая с Epic Powder – компанией, которая сочетает в себе передовые технологии измельчения и проверенный опыт в области переработки минералов. Мы поможем вам оптимизировать производство кварцевого материала; свяжитесь с нашими специалистами, чтобы получить индивидуальное решение уже сегодня.
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем отдела по работе с клиентами EPIC Powder по любым вопросам.
— Опубликовано Джейсоном Вангом, Старший инженер