В качестве сырья для пьезооптической и оптической отраслей промышленности используются кристаллы р-кварца, кристаллизующегося в тригональной сингонии.
К разновидностям р-кварца относятся прозрачный бесцветный горный хрусталь, золотисто-желтый цитрин, фиолетовый аметист, смоляно-черный морион, дымчатый раухтопаз, розовый кварц. При температуре 573 °С р-кварц переходит в гексагональный а-кварц; последний при 870 °С — в атридимит, который при 1470 °С превращается в а-кристобалит с температурой плавления 1710 °С.
Твердость р-кварца по шкале Мооса 7; плотность 2,65—2,66 г/см3; он хорошо пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, термостоек, плохо проводит электрический ток, химически стоек (но хорошо растворяется в плавиковой кислоте). Кристаллы кварца способны изменять плоскость поляризации.
У кварца высокая прочность: для разрыва кристалла, поперечное сечение которого 1 см2, необходима сила около 1000 кг, а для того чтобы раздавить кварцевый кубик объемом 1 см3, требуется груз массой несколько тонн.
Пьезоэлектрические свойства кристаллов р-кварца были открыты французскими физиками Пьером и Жаком Кюри еще в 1880 г. Пьезоэффект проявляется при сжимании или растягивании пластинок, изготовленных из кристаллов кварца. Усилие прилагают в направлении двойной оси; при этом возникают электрические заряды с противоположными знаками па разных концах пластинки. Если же к пластинке кварца, помещенной между двумя металлическими электродами, подключить электрический ток, то пластинка будет сжиматься или растягиваться в зависимости от направления тока; при переменном токе пластинка придет в состояние упругого колебания. Пьезоэффект не проявляется в направлении оси третьего порядка.
Среди кристаллов Р-кварца различают левые и правые формы. Правые кристаллы вращают плоскость поляризации вправо, левые — влево. При использовании кристаллов Р-кварца в пьезооптической и оптической отраслях промышленности учитывают наличие ряда дефектов, снижающих возможности или вообще препятствующих применению кристаллов для этих целей. К числу дефектов относятся трещиноватость, минеральные и газово-жидкие включения, свили и мозаичность, наличие двойников.
Трещины могут быть природными, т. е. вызванными тектоническими и технологическими причинами, полученными в результате неправильно ведущихся работ по добыче или полученными при транспортировке кристаллов. Трещины хорошо обнаруживаются при осмотре кристаллов под лампой мощностью 300—500 Вт.
Твердые включения представлены кристаллами пирита, гематита, рутина, серицита, актинолита, хлорита и др. В некоторых случаях минеральные включения придают кристаллам кварца декоративность, поэтому их используют в ювелирной промышленности. Например, тонкие нитевидные кристаллы рутила, пронизывающие кристалл кварца, характерны для кварца-волосатика, из которого изготавливают различные украшения.
Включения жидкостей и газов, захваченных во время роста кристаллов, а также вторичные включения в сформировавшихся кристаллах ограничивают возможности их использования, а при большом их количестве полностью исключают применение этих кристаллов в пьезооптической и оптической отраслях промышленности.
От обилия включений этого типа кристаллы кварца могут приобрести молочно-белую окраску. Нагреванием пластинки с первичными двухфазными газово-жидкими включениями можно добиться их гомогенизации, т. е. перехода к однофазным. По температуре гомогенизации судят о температуре образования кристаллов.
Газово-жидкие и жидкие включения снижают чистоту состава кристаллов, используемых для плавки оптических стекол.
Свилеватость и мозаичность обусловлены неоднородным строением кристаллов, связаны с наличием блоков (микроучастков) в пределах кристаллов различной ориентировки. Различия эти обычно невелики, но являются существенным дефектом, препятствующим применению кристаллов в пьезооптической и оптической отраслях промышленности. Свилеватость выявляется на сколах кристаллов. У несвилеватых кристаллов сравнительно однородный раковистый излом или излом типа «часового стекла». Свилеватость проявляется в сложной неправильной форме скола, наличии нитевидных линий на его поверхности и др.
Для кристаллов (3-кварца наиболее распространены дофинейские двойники, несколько меньше бразильские и значительно реже японские и др. Дофинейские двойники — это срастание однотипных индивидов, т. е. только левых или только правых, но при этом один из них повернут по отношению к другому на 60° вокруг оси. Двойниковые швы дофинейских двойников выражены в виде неправильных извилистых линий, хорошо видных на разрезах кристаллов, ориентированных под углом 90° к оси, после двух- и трехчасового травления кристаллов в парах плавиковой кислоты. Кристаллы с дофинейскими двойниками могут применяться в оптической промышленности, но не могут употребляться для изделий, в которых используют пьезоэффект. Этот дефект можно ликвидировать путем механического воздействия на кристаллы.
Бразильские двойники формируются при срастании левого и правого индивидов. Двойниковые швы у этого вида двойников прослеживаются в виде относительно менее извилистых линий, чем у дофинейских. Кристаллы с этими двойниками не используются ни в пьезо-, ни в -оптической отраслях промышленности.
К дефектам кристаллов относится также их окраска, которая препятствует их применению в оптической промышленности.
Для выявления дефектов у кварцевых галек, поверхность которых может быть интенсивно поцарапана в процессе их переноса в водных потоках, их смачивают керосином, показатель преломления которого промежуточный между кварцевыми и воздуха, а затем гальку рассматривают «на просвет» при освещении лампочкой 300—500 Вт. Это позволяет установить некоторые дефекты, например, трещины.
Благодаря пьезоэффекту кристаллы Р-кварца применяются в радиотехнике, ультразвуковой гидроакустике, дефектоскопии, а также при изучении свойств газов, жидкостей и твердых тел, при исследовании вибраций, в пьезометрии для измерения давления, вибраций, вибрации мостов и т. п., для изготовления линз и пластинок с целью получения ультраакустических волн. Кварцевые пластинки применяют при изготовлении пьезоэлектрических резонаторов и фильтров радиочастот, в пьезометрических звукоснимателях, пьезоэлектрических микрофонах, громкоговорителях, акселерографах, монометрах.
Оптический кварц применяют для призм спектрографов, окошек п линз, пропускающих ультрафиолетовые лучи, пластинок и клиньев для поляризационных микроскопов, призм Френеля, светофильтров, в поляриметрах, сахариметрах и других изделий.
Горный хрусталь и окрашенные разности Р-кварца используются в гранильно-ювелирном деле.
Кристаллы кварца с высокой химической чистотой используются для плавки и варки весьма ценных оптических стекол. Плавка и варка оптических стекол в последние годы получили исключительно широкое развитие. Частичной заменой кристаллов р-кварца для этих целей является чистый жильный кварц, нередко предварительно проходящий стадию обогащения, в том числе от части газово-жидких включений, а также синтетические кремниевые продукты. Часть кристаллов Р-кварца, а также их красивых сростков (друз), используется в качестве коллекционного материала (музейные, школьные и другие коллекции).
Согласно отраслевому стандарту, пьезокварцевое природное сырье может быть представлено кристаллами кварца, их обломками и галькой. При оценке этого сырья и классификации по сортам учитывают размер бездефектной области (монообласти), ее выход и наличие допустимых дефектов в монообласти. Минимальные размеры монообласти должны обеспечивать, как минимум, выход одной заготовки пьезокварцевой пластины размером 12X12X1,5 мм.
К дефектам пьезокварца относят твердые и газово-жидкие включения, видимые невооруженным глазом, а также трещины, свили, бразильские и дофинейские двойники. К дефектам оптического кварца относят твердые и газово-жидкие включения с размером в поперечнике свыше 0,1 мм при концентрации их более одного включения на 1 см3, а также трещины, свили, окрашенность, голубые и темные нити (возможно, связаны с наличием мельчайших включений), бразильские двойники.
В промышленности используются кристаллы, гальки и обломки кристаллов минимальной массой 100 г. В некоторых случаях, при согласии потребителя, возможна поставка кристаллосырья и меньшей массы.
Для ювелирного кварца выход бездефектной части должен составлять для I сорта не менее 75%, II сорта — 50—75% и III сорта — 25-50%.
В связи с большой потребностью в пьезооптическом кварце во многих странах выпускают синтетические кристаллы, количество которых резко превышает количество природных.
Исключительно высоким качеством отличается кристаллосырье бразильских месторождений, импортируемое во многие страны. Месторождения этого сырья разрабатываются во многих странах: Бразилии, США, Мадагаскар, Сомали, КНР, Зимбабве, Уругвае, Шри-Ланке, Бирме, Швейцарии и других странах.
