Quartz Materials
Schmelzpunkt, °C: 1467
Wärmeleitfähigkeit, W/(m x K) (T = 25°C): 10.7 (parallel zur Achse Z)/6,2 (senkrecht zur Achse Z)
Schermodul (G), GPa: 31,14
Kompressionsmodul (K), GPa: 36,4
Quarz, ein sehr wichtiges piezoelektrisches Material, ist derzeit der am häufigsten verwendete Kristall und ein wichtiges elektronisches Material. Obwohl er die gleiche chemische Zusammensetzung wie Siliziumdioxid (SiO2) hat, unterscheidet sich Kristallquarz von Quarzglas und Quarzglas, die keine Orientierung haben, da sie keine kristallinen Materialien sind.
Kristallquarz hat eine einkristalline Struktur, die aus einem hexagonalen System von 32 Punktgruppen besteht, was seine symmetrische Form auf makroskopischer Ebene widerspiegelt. Quarzkristalle weisen eine Doppelbrechung auf, die jedoch nicht auftritt, wenn das Licht entlang der Z-Achse eintritt, die daher als optische Achse von Quarz bekannt ist.
Wenn der Kristall einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, erzeugt er Spannungen und verformt sich, was zu mechanischen Schwingungen führt und eine bestimmte Frequenz erzeugt. Quarzkristallresonatoren werden unter Ausnutzung dieser Eigenschaften des umgekehrten piezoelektrischen Effekts hergestellt. Je nach Schnittwinkel weist Quarz im Allgemeinen verschiedene Schwingungsarten auf: Dehnungsschwingungen, Biegeschwingungen, Scherschwingungen an der Oberfläche und Scherschwingungen an der Dicke.
Hydrothermales Wachstum von Quarz:
- Der Autoklav wird bis zu einem bestimmten Faktor mit Wasser und Mineralisierungsmittel (NaOH oder Na2CO3) gefüllt.
- Durch die Trennwand wird der Temperaturgradient lokalisiert, so dass jede Zone nahezu isotherm ist.
- Die Samen sind dünne Scheiben von (normalerweise) Z-geschnittenen Einkristallen.
- Der Nährstoff besteht aus kleinen (~2½ bis 4 cm) Stücken einkristallinen Quarzes („lascas“).
- Die Temperaturen und Drücke liegen typischerweise bei etwa 3500C und 800 bis 2000 Atmosphären; T2 – T1 beträgt typischerweise 40C bis 100C.
- Der Nährstoff löst sich langsam auf (30 bis 260 Tage pro Durchlauf), diffundiert in die Wachstumszone und lagert sich auf den Samen ab.
1.Physikalische Eigenschaften von synthetischem Kristallquarz
| Dichte, g/cm3 | 2.65 |
| Schmelzpunkt, °C | 1467 |
| Wärmeleitfähigkeit, W/(m x K) (T = 25°C) | 10.7 (parallel zur Achse Z) 6,2 (senkrecht zur Achse Z) |
| Thermischer Koeffizient der linearen Ausdehnung im Temperaturbereich 0-25°Ñ, °C-1 | 7.1 õ 10-6 (parallel zur Achse Z) |
| 13.2 õ 10-6 (rechtwinklig zur Achse Z) | |
| Härte (Mohs) | 7 |
| Spezifische Wärmekapazität, J/(kg x K) (T = 25°C) | 710 |
| Dielektrizitätskonstante bei 30 MHz | 4.34 (parallel zur Achse Z) 4,27 (senkrecht zur Achse Z) |
| Elastizitätsmodul (E), GPa | 97.2 (parallel zur Achse Z) 76,5 (senkrecht zur Achse Z) |
| Schermodul (G), GPa | 31.14 |
| Kompressionsmodul (K), GPa | 36.4 |
| Chemische Stabilität | unlöslich in Wasser |
| Elastische Koeffizienten | C11=87 C12=7 C44=58 C13=13 C14=18 C33=106 |
2.Brechungsindex von synthetischem Kristallquarz in Abhängigkeit von der Wellenlänge
| l, mm | n0 | ne | l, mm | n0 | ne | l, mm | n0 | ne |
| 0.185 | 1.676 | 1.69 | 0.243 | 1.605 | 1.617 | 0.589 | 1.544 | 1.553 |
| 0.194 | 1.66 | 1.673 | 0.263 | 1.593 | 1.604 | 1.083 | 1.534 | 1.543 |
| 0.204 | 1.643 | 1.656 | 0.291 | 1.581 | 1.591 | 1.8 | 1.524 | 1.532 |
| 0.219 | 1.625 | 1.637 | 0.34 | 1.567 | 1.577 | 2.5 | 1.512 | 1.52 |
| 0.231 | 1.614 | 1.626 | 0.405 | 1.557 | 1.567 | 3 | 1.5 | 1.507 |
3.Qualitätsbewertung von synthetischem Quarzkristall
a) Der Anteil an Kristalldefekten und Verunreinigungen in synthetischem Quarzkristall hängt von der Wachstumsrate, dem Mineralisierungsmittel und dem Rohmaterial ab. Die Wachstumsrate hat großen Einfluss auf wichtige Eigenschaften wie den Infrarot-Absorptionskoeffizienten α, der mit dem Q-Wert korreliert, und die Frequenz-Temperatur-Charakteristik. Eine höhere Wachstumsrate führt zu einem Anstieg von α, einer Abnahme des Q-Werts und einer Streuung der Frequenz-Temperatur-Eigenschaften.
b) Der Qualitätsindex von synthetischem Quarzkristall war ursprünglich ein Q-Wert, und eine 5-MHz-Quarzkristalleinheit, die im fünften Obertonmodus betrieben wurde, wurde verwendet, um den Q-Wert zu erhalten. Da die Herstellung der 5-MHz-Kristalleinheit jedoch sehr aufwändig war, wurde der Index auf den Koeffizienten α anstelle des Q-Wertes geändert.
4.Standardspezifikation für synthetischen Quarzkristall
a) Verdrillung: Es darf keine elektrische oder optische Verdrillung im nutzbaren Bereich vorhanden sein.
b) Dehnung: Sowohl im Inneren als auch an der Oberfläche des Impfkristalls und des gezüchteten Quarzkristalls darf keine Dehnung vorhanden sein.
c) Risse und Brüche: Es dürfen keine Risse, Abplatzungen oder Brüche im nutzbaren Bereich vorhanden sein.
d) Einschlussdichte: Die Spezifikation entspricht der IEC 60758.
| Größenbereich | Menge procm3 | |||
| Klasse (µm) | 10 bis 30 | 30 bis 70 | 70 bis 100 | >100 |
| Ia | 2 | 1 | 0 | 0 |
| Ib | 3 | 2 | 1 | 1 |
| I | 6 | 4 | 2 | 2 |
| II | 9 | 5 | 4 | 3 |
| III | 12 | 8 | 6 | 4 |
e) Infrarot-Qualitätsanzeige: Die Spezifikation entspricht der IEC 60758.
| Klasse | Max. α3585 | Geschätzte Q-Werte (x106) |
| A | 0.015 | 3.8 |
| A | 0.024 | 3 |
| B | 0.05 | 2.4 |
| C | 0.069 | 1.8 |
| D | 0.1 | 1.4 |
f) Ätzkanaldichte: Die Spezifikation entspricht der IEC 60758.
| Sorte | Max. Anzahl pro cm3 |
| 1 | 10 |
| 2 | 30 |
| 3 | 100 |
| 4 | 300 |
| 5 | 600 |
5.Spezifikation für holzhaltigen Quarzkristall
a) Winkel:
i. Rotationswinkel der X-Oberfläche um die Y-Achse: 00°00’±15′
ii. Drehwinkel der X-Fläche um die Z-Achse: 00°00’±15′
b) Abmessungstoleranz:
i. Entlang der X- oder Z-Achse: ±0,1 mm
ii. Entlang der Y-Achse: ±10 mm
c) Oberflächenrauhigkeit: nach Kundenwunsch, geläppt und poliert sind beide verfügbar.
