Eigenschaften von Quarzglas

Linsen und optische Rohlinge aus Quarzglas

Eine Reihe einzigartiger optischer, mechanischer und thermischer Eigenschaften machen den Werkstoff Quarzglas unverzichtbar bei der Herstellung von High-Tech-Produkten.

Dazu zählen:

  • hohe chemische Reinheit und Beständigkeit
  • hohe Erweichungstemperatur und Temperaturbeständigkeit
  • niedrige thermische Ausdehnung bei hoher Temperaturwechselbeständigkeit
  • hohe Transparenz vom ultravioletten bis zum infraroten Spektralbereich
  • hohe Strahlungsbeständigkeit

Siliziumdioxid – Glas – Quarz – Quarzglas
Siliziumdioxid (SiO2) ist die einfachste chemische Zusammensetzung von Glas. Quarz ist bei normalen Temperatur- und Druckbedingungen die stabilste aller Kristallmodifikationen. Quarz ist eines der häufigsten Mineralien in der Erdkruste. Glas (vom germanischen „glasa“ für Bernstein, das Glänzende oder Schimmernde) besteht auch aus Silizium und Oxid, ist aber ein gleichförmiger, amorpher Feststoff. Viele Glassorten sind klar bzw. transparent. Das bedeutet, sie lassen sichtbares Licht durch (Transmissibilität für das sichtbare Lichtspektrum). Solche Gläser werden im Allgemeinen mit dem Begriff „Glas“ verbunden. Transparente Materialien lassen Licht durch, ohne es zu streuen.

Die häufigsten Arten von Glas
Vor mindestens 2000 Jahren lernte der Mensch beim Erhitzen von Glas die Erweichungstemperatur durch Zugabe von Kalk und Soda zu senken; dies führte zu einem Glas, das Natrium und Calciumoxid enthält.

Glas – Zusatzstoffe und industrielle Nutzung von Glas
Die Nutzung von Glas als einer der ältesten und auch wichtigsten Werkstoffe für die Industrie ist eng mit dem Einsatz von Zusatzstoffen verbunden. Chemikalien wie Soda (Natriumcarbonat, Na2CO3) und in der Vergangenheit auch Kali (Kaliumcarbonat, K2CO3), Manganoxid und Metalloxide beeinflussen die Eigenschaften von Glas. Gefertigtes Glas ist ein Material, das dann entsteht, wenn eine Mischung aus Sand, Soda und Kalk auf eine hohe Temperatur erhitzt wird und in einem geschmolzenen, flüssigen Zustand bleibt. Glas kann aus reinem Siliciumdioxid hergestellt werden, aber Quarzglas (auch einfach als Quarz bezeichnet) besitzt mit etwa 1200 °C einen hohen Glasübergangspunkt, wodurch es schwierig ist, Quarzglas zu Fensterscheiben oder etwa Flaschen zu formen.

Quarzglas ist die reinste Form von SiO2 und damit die wertvollste und anspruchsvollste Art. Extrem klares Glas kann für optische Fasern verwendet werden. Daher wird synthetisches Quarzglas benutzt, um Licht über viele Kilometer zu übertragen. Viele Glasarten sind für ultraviolette Strahlung undurchlässig, aber nur reines Quarzglas (nur SiO2) ist für Wellenlängen <350 nm (UV) transparent. Quarzglas ist auch in opaker Form und mit unterschiedlichen Färbungen erhältlich, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften wie z. B. Transmission oder Absorption für spezifische Wellenlängen (Filterglas) zu verändern. Das opake Material bei Heraeus, OM® 100 , wird auch als Hitzesperre oder zur diffusen Streuung von IR-Strahlung verwendet.

Auf den ersten Blick erscheint Quarzglas sowohl chemisch als auch strukturell sehr einfach, da es aus einer einzigen Oxidkomponente (Siliciumdioxid – SiO2) besteht.

Chemische Struktur:
Die Erdkruste besteht zu einem beträchtlichen Teil aus Quarz. Dieses Mineral ist weltweit in fast jedem Gestein nachweisbar, jedoch nur ein geringer Teil besitzt die benötigte Reinheit (>99,98%) um als Rohstoff für Quarzglas in Frage zu kommen. Strandsand besteht ebenfalls aus SiO2, ist aber aufgrund seiner Unreinheit nicht für die Halbleiterindustrie geeignet.

Struktur von Quarz und Quarzglas
In der Quarzglasstruktur sind alle Atome mit mindestens zwei weiteren verbunden. Die Festigkeit der chemischen Silizium-Sauerstoff (Si-O) Bindung verleiht Quarzglas eine hohe Temperaturstabilität und chemische Beständigkeit. Innerhalb der Quarzstruktur sind auch Lücken gegeben, die eine höhere Gasdurchlässigkeit und einen viel niedrigeren thermische Ausdehnungskoeffizienten als andere Materialien zur Folge haben.

Chemische Reinheit der Rohstoffe

Für die meisten industriellen Anwendungen und Prozesse ist die Reinheit von entscheidender Bedeutung. Quarzglas weist eine herausragende Reinheit auf und ist daher ein unverzichtbares Material bei der Herstellung von Hightech-Produkten.

Selbst wenn sie nur als Spuren auftreten, haben Fremdstoffe bedeutende Auswirkungen. Die Reinheit wird dabei im Wesentlichen durch den Rohstoff, die Herstellungsmethode und die nachfolgende Weiterverarbeitung bestimmt. Bei jedem Produktionsschritt müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um die hohe Reinheit zu erhalten. Heraeus verfügt zudem über verschiedene Reinigungsverfahren, um die Qualität des Rohstoffs Quarzsand weiter zu erhöhen.

Zu den am häufigsten vertretenen Fremdstoffen zählen Metalle (wie Al, Na, Fe etc.), Wasser (in Form von OH-Gruppen) und Chlor. Diese beeinflussen nicht nur die Materialeigenschaften des Quarzglases wie Viskosität, optische Absorption und elektrische Eigenschaften. Sie wirken sich ebenso auf die Eigenschaften der Materialien aus, die letztlich in der Anwendung mit dem Quarzglas in Kontakt stehen und dort prozessiert werden.

Quarzgläser lassen sich in außergewöhnlich hoher Reinheit herstellen. Synthetisches Quarzglas von Heraeus weist eine metallische Gesamtkontamination von weniger als 1 ppm auf. Bei natürlichem Quarzglas liegt dieser Wert bei etwa 20 ppm, was im Wesentlichen auf den Gehalt an Al2O3 und deutlich kleinere Konzentrationen an Alkalimetallen, Fe2O3, TiO2, MgO und ZrO2 zurückzuführen ist.

OH-Gehalt
Neben den metallischen Verunreinigungen enthält Quarzglas Wasser in Form von OH-Gruppen. Der OH-Gehalt beeinflusst physikalische Eigenschaften wie Dämpfung und Viskosität. Im Allgemeinen bedeutet ein hoher OH-Gehalt eine niedrigere Gebrauchstemperatur. Typische Werte sind in der Tabelle aufgeführt. Elektrisch geschmolzenes Quarzglas weist den niedrigsten Gehalt an Hydroxyl-Gruppen auf (< 1 – 30 ppm), da es in der Regel unter Vakuum oder in einer trockenen Atmosphäre hergestellt wird. Die Konzentration ist hier nicht an die Struktur des Glases gebunden. Sie kann vielmehr in Abhängigkeit von der thermischen Behandlung und der Menge an Feuchtigkeit, der das Quarzglas bei hohen Temperaturen ausgesetzt ist, variieren. Flammgeschmolzenes Quarzglas zeigt eine signifikant höhere Hydroxyl-Konzentration (150 – 200 ppm), die auf das Schmelzen in der Wasserstoff/Sauerstoff-Flamme zurückgeht. Auch die synthetischen Quarzgläser kommen aufgrund des Herstellungsverfahrens auf einen hohen OH-Gehalt, der bis zu 1000 ppm betragen kann.

Synthetisches Quarzglas, hergestellt durch Flammenhydrolyse von Siliziumtetrachlorid, kann einen hohen (> 1000 ppm) oder sehr niedrigen Hydroxyl-Gehalt aufweisen. Dies ist abhängig davon, ob ein Heißchlorierschritt zur Substitution zur Anwendung kommt. Der hohe Hydroxyl-Gehalt geht auf die große Oberfläche der feinen, in der Hydrolysereaktion gebildeten Quarzpartikel zurück, wodurch eine große Menge an Feuchtigkeit aus der Flamme aufgenommen werden kann.

Zu den wesentlichen Eigenschaften der elektrisch geschmolzenen Materialien zählen der niedrige Hydroxyl-Gehalt und die reduzierten Entglasungsraten. Durch den niedrigen Gehalt an OH-Gruppen steigt die Transparenz im Infraroten wie auch die Viskosität. Die höhere Viskosität erlaubt wiederum eine höhere maximale Gebrauchstemperatur und trägt zur Vermeidung der Entglasung bei. Die neutrale bzw. reduzierende Atmosphäre während des Schmelzens wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf die Entglasungsneigung aus, was auf ein leichtes Sauerstoffdefizit des Materials zurückzuführen ist.

Die hohe Widerstandsfähigkeit von Quarzglas gegenüber einem breiten Spektrum an Elementen und Verbindungen ist ein großer Vorteil für viele High-End-Anwendungen. Quarzglas ist außergewöhnlich widerstandsfähig gegenüber Wasser, Salzlösungen und Säuren. Das Material wird lediglich durch Fluss- und Phosphorsäure angegriffen. Oxidfreie Metalle mit Ausnahme der Alkali- und Erdalkalimetallen reagieren ebenfalls nicht mit Quarzglas. Empfindlich ist Quarzglas dagegen gegenüber allen Alkali- und Erdalkaliverbindungen, da bereits kleinste Spuren das Entglasen bei hohen Temperaturen beschleunigen. Fingerabdrücke und die damit einhergehenden Alkalispuren sollten daher stets mit Alkohol entfernt werden, bevor Quarzglas bei hohen Temperaturen eingesetzt wird.

Eine der bedeutendsten Eigenschaften von Quarzglas ist dessen sehr niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient. Der durchschnittliche Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas liegt mit 5,0 × 10 -7/ °C um ein Mehrfaches unter dem Wert anderer gebräuchlicher Werkstoffe. Um eine Größenvorstellung zu erhalten, soll verglichen werden, wie sich 1 m3 große Blöcke aus Edelstahl, Borosilikat- und Quarzglas verhalten, wenn sie in einem Ofen einer Temperatur von 500°C ausgesetzt werden. Während sich das Volumen bei Edelstahl um mehr als 28 Liter und bei Borosilikatglas immerhin noch um 5 Liter vergrößern würde, würde sich das Volumen des Quarzglasblocks um weniger als einen Liter erhöhen. Eine derart niedrige Ausdehnung lässt das Material extreme Temperatursprünge unbeschadet überstehen.

Es ist sogar möglich, dünne Quarzglasteile von über 1000°C bruchfrei abzuschrecken, indem man sie schnell in kaltes Wasser eintaucht. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Temperaturwechselbeständigkeit neben dem Ausdehnungskoeffizienten auch noch von anderen Faktoren wie der Oberflächenbeschaffenheit (welche die Festigkeit definiert) und der Geometrie abhängt. Die verschiedenen Quarzglasarten weisen nahezu identische Werte des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, was Verbindungen zwischen den Materialien ohne zusätzliches Risiko durch thermisch induzierten Bruch gestattet.

Technische Eigenschaften Elektrisch geschmolzener Quarz Flammengeschmolzener Quarz Synthetisches Quarzglas
Wärmedaten Erweichungstemperatur (°C)
Glühtemperatur (°C)
Dehnungstemperatur (°C)
Max. dauerhafte Verarbeitungstemperatur (°C)
Max. kurzzeitige Verarbeitungstemperatur (°C)
1710
1220
1125
1160
1300
1660
1160
1070
1110
1250
1600
1100
1000
950
1200
Mittlere spezifische Wärme
(J/kg · K)
0 ... 100 °C
0 ... 500 °C
0 ... 900 °C
772
964
1052
772
964
1052
772
964
1052
Wärmeleitfähigkeit
(W/m · K)
20 °C
100 °C
200 °C
300 °C
400 °C
950 °C
1,38
1,47
1,55
1,67
1,84
2,68
1,38
1,47
1,55
1,67
1,84
2,68
1,38
1,47
1,55
1,67
1,84
2,68
Mittlerer Ausdehnungs
koeffizient (K–1)
0 ... 100 °C
0 ... 200 °C
0 ... 300 °C
0 ... 600 °C
0 ... 900 °C
– 50 ... 0 °C
5.1 × 10 –7
5,8 × 10 –7
5,9 × 10 –7
5,4 × 10 –7
4,8 × 10 –7
2,7 × 10 –7
5,1 × 10 –7
5,8 × 10 –7
5,9 × 10 –7
5,4 × 10 –7
4,8 × 10 –7
2,7 × 10 –7
5,1 × 10 –7
5,8 × 10 –7
5,9 × 10 –7
5,4 × 10 –7
4,8 × 10 –7
2,7 × 10 –7

Mechanische Eigenschaften, Festigkeit und Zuverlässigkeit

Die theoretische Zugfestigkeit von Quarzglas ist größer als 1 Million psi. Die in der Praxis beobachtete Festigkeit liegt aber leider bei weitem niedriger. Die Ursache liegt darin, dass die Festigkeit von Glas in der Praxis eher durch extrinsische Faktoren beeinflusst wird als durch den chemischen Aufbau und die atomare Struktur, welche intrinsische Größen wie die Dichte festlegen. Die Festigkeit und Haltbarkeit eines Quarzglasprodukts wird letztlich durch die Güte der Oberfläche in Verbindung mit konstruktiven Merkmalen und chemischen Einflüssen durch die umgebende Atmosphäre (Wasserdampf im speziellen) bestimmt. Aufgrund von Spannungskonzentrationen an oberflächlichen Defekten tritt ein strukturelles Versagen eher unter Zugspannung als unter Druck auf.

In anderen Worten: die mechanische Zuverlässigkeit hängt von der Wahrscheinlichkeit ab, einen Defekt aufzufinden, der unter den Betriebsbedingungen zu einem Versagen führt.

Dies könnte auch als Wahrscheinlichkeit ausgedrückt werden, dass das Werkstück einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wird, die größer ist als die Festigkeit der bestehenden Defekte. Als Folge dieser Wahrscheinlichkeitsbeziehung nimmt die Beanspruchbarkeit eines Quarzglasprodukts mit dessen Größe ab. Ebenso nimmt die Wahrscheinlichkeit eines Versagens mit der Anzahl der eingesetzten Werkstücke zu.

Der Zustand der Oberfläche ist hierbei sehr wichtig. Oberflächen, die kalt bearbeitet wurden, fallen zumeist schwächer aus als feuerpolierte. Durch den Einfluss von Staub, Feuchtigkeit und allgemeinen Verschleiß sind ältere Oberflächen ebenfalls weniger beanspruchbar als jüngere.

Diese Faktoren müssen hinreichend berücksichtigt werden, um die Festigkeit verschiedener Quarzglassorten miteinander verglichen zu können. In der Praxis offenbaren sich solche Untersuchungen häufig als einfache Oberflächenvergleiche, da selbst geringe Abweichungen in der Probenpräparation die intrinsischen Festigkeits- unterschiede überwiegen können.

Mechanische Daten Elektrisch geschmolzener Quarz Flammengeschmolzener Quarz Synthetisches Quarzglas
Dichte (g/cm3) 2,203 2,203 2,201
Mohshärte 5,5 ... 6,5 5,5 ... 6,5 5,5 ... 6,5
Mikrohärte (N/mm2) 8600 ... 9800 8600 ... 9800 8600 ... 9800
Knoop-Härte (N/mm2) 5800 ... 6100 5800 ... 6100 5800 ... 6200
Elastizitätsmodul bei 20 °C (N/mm2) 7,25 × 104 7,25 × 104 7,25 × 104
Torsionsmodul (N/mm2) 3,0 × 104 3,1 × 104 3,0 × 104
Poisson-Verhältnis 0,17 0,17 0,17
Druckfestigkeit (ca.) (N/mm2) 1150 1150 1150
Zugfestigkeit (ca.) (N/mm2) 50 50 50
Biegefestigkeit (ca.) (N/mm2) 67 67 67
Torsionsfestigkeit (ca.) (N/mm2) 30 30 30
Schallgeschwindigkeit (m/s) 5720 5720 5720
Spannungen in Quarzglas

Die optischen Eigenschaften von Quarzglas bieten interessante Möglichkeiten für Forschung und Industrie: Der große transparente Transmissionsbereich deckt das gesamte sichtbare Spektrum ab und reicht weit in den Infrarot- und Ultraviolettbereich hinein. Die Transmission kann durch die Materialreinheit und das Herstellungsverfahren beeinflusst werden. Zusätzlich können Übertragungsbereiche durch Hinzufügen von z. B. Dotierungsmaterialien an spezielle Anwendungsanforderungen angepasst werden.

Die intrinsischen UV- und IR-Absorptionskanten liegen bei Quarzglas ungefähr bei einer Wellenlänge von 180 nm bzw. 3,5 μm. Die Absorptionskante im UV resultiert aus elektronischen Übergängen innerhalbdes Si-O-Netzwerks, die einsetzen, sobald die Photonenenergie die Bandlückenenergie des Netzwerks überschreitet. Die intrinsische Kante im IR ist durch (Multiphonon) Gitterschwingungen des Si-O-Netzwerks bedingt.

Dabei werden zunächst die verschiedenen Obertöne der fundamentalen Schwingungsmoden der SiO4-Tetraeder beobachtet. Durch Verunreinigungen werden diese intrinsischen Absorptionskanten weiter modifiziert. Metallische Verunreinigungen verschieben die UV-Kante zu höheren Wellenlängen. Wasser (OH) erzeugt Absorptionsbänder direkt unterhalb der IR-Kante. Das stärkste dieser Bänder ist das Band der fundamentalen O-H-Streckschwingung bei 2,73 μm.

Kontrolliertes Wärmemanagement und gleichbleibend hohe Temperaturen sind in vielen industriellen Prozessen und insbesondere in der Halbleiterindustrie von entscheidender Bedeutung.

Quarzgläser sind exzellente elektrische Isolatoren. Die große Bandlücke in der elektronischen Struktur der Si-O-Verbindung begrenzt die elektrische Leitung auf Ströme, die durch bewegliche ionische Verunreinigungen getragen werden. Aufgrund der sehr niedrigen Konzentration solcher Verunreinigungen ist der elektrische Widerstand entsprechend hoch.

Der Widerstand zeigt eine starke exponentielle Temperaturabhängigkeit, da ionische Leitung mit dem Diffusions- koeffizienten der ionischen Ladungsträger einhergeht. Der Widerstand nimmt folglich bei zunehmender Temperatur ab, ganz im Unterschied zu typischen Leitern wie Metallen.

Die dielektrische Konstante von Quarzgläsern liegt bei einem Wert von etwa 4 und somit signifikant unter dem Wert anderer Gläser ist. Dieser Wert ändert sich über einen weiten Frequenzbereich nur wenig. Die Ursache für die niedrige dielektrische Konstante ist wiederum auf das Fehlen geladener beweglicher Ionen zurückzuführen. Zudem kommt die Steifigkeit des Si-O-Netzwerks, welche der Struktur eine sehr niedrige Polarisierbarkeit verleiht.

Parameter Elektrisch geschmolzener Quarz Flammengeschmolzener Quarz Synthetisches Quarzglas
Elektrischer Widerstand in Ω × m 20 °C
400 °C
800 °C
1200 °C
1018
1010
6,3 × 106
1,3 × 105
1018
1010
6,3 × 106
1,3 × 105
1016
1010
6,3 × 106
1,3 × 105
Durchschlagsfestigkeit in KV/mm
(Probendicke ≥ 5 mm)
20 °C
500 °C
25 ... 40
4 ... 5
25 ... 40
4 ... 5
25 ... 40
4 ... 5
Dielektrischer Verlustwinkel (tg δ) 1 kHZ
1 MHz
30 GHz
5,0 × 10 -4
1,0 × 10 -4
4,0 × 10 -4
5,0 × 10 -4
1,0 × 10 -4
4,0 × 10 -4
5,0 × 10 -4
1,0 × 10 -4
4,0 × 10 -4
Dielektrizitätskonstante (ε) 20 °C: 0 ... 106 Hz
23 °C: 9 × 108 Hz
23 °C: 3 × 1010 Hz
3,70
3,77
3,81
3,70
3,77
3,81
3,70
3,77
3,81

Da synthetisches Quarzglas eine sehr geringe Absorption bis in den Vakuum-Ultraviolett-Spektralbereich aufweist (bei einer Dicke von 1 mm liegt der Cutoff bei etwa 160 nm), wird es für Linsen in hochenergetischen Laseranwendungen und als Hüllrohr für ultraviolette Lichtquellen, wie z. B. Excimer- oder Deuteriumlampen, verwendet. In Abhängigkeit von den exakten Einsatzbedingungen, wie etwa Wellenlänge, Energiedichte und Spitzenintensitäten bei gepulsten Laseranwendungen, können verschiedene Arten von Schäden an dem Glas auftreten.

Bei sehr hohen Laserintensitäten kann es lokal an bestimmten Stellen im Glas zu Photoionisation und Entstehung von Plasma kommen. Diese mechanische Beschädigung tritt typischerweise an der vorderen oder hinteren Oberfläche des optischen Bauteils (der optischen Komponente) auf. Eine verwandte Art von mechanischer Beschädigung ist die Entstehung feiner Mikrokanäle in dem Glas entlang der Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls.

Neben diesen sichtbaren Schadensphänomenen ist aber auch ein subtilerer Schadensmechanismus möglich, nämlich wenn in einem photochemischen Prozess bei Bestrahlung des Glases Defektzentren (auch als Farbzentren bezeichnet) erzeugt werden. Diese Zentren verursachen eine Absorption bei charakteristischen Wellenlängen. Beispiele sind das E'-Zentrum mit einem Absorptionsmaximum bei 215 nm und das nichtbindende-Sauerstoff-Loch (NBOH) -Zentrum bei 265 nm. Das NBOH emittiert bei etwa 650 nm außerdem eine rote Fluoreszenz, wenn es in seiner Absorptionsbande angeregt wird. Diese Defekte interagieren auch mit gelöstem Wasserstoff in dem Glas. Wasserstoff kann E'-Zentren zur Erzeugung von SiH-Gruppen und NBOH-Zentren zur Erzeugung von SiOH-Gruppen passivieren, wodurch der Transmissionsverlust auf den Absorptionswellenlängen dieser Defekte gemindert wird. Daher wird die Wasserstoffkonzentration in Herstellungsprozessen häufig präzise kontrolliert und anhand der Raman-Spektroskopie im Analyselabor gemessen.

Die dritte Art einer möglichen Beschädigung kann in Form einer Änderung des Brechungsindexes des Quarzglases aufgrund einer Umstrukturierung des Glasnetzwerkes unter Bestrahlung auftreten. In Abhängigkeit von der Art des Quarzglases und den Bestrahlungsbedingungen kann der Brechungsindex entweder zunehmen (Kompaktierung) oder abnehmen (Dekompaktierung).

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