热膨胀本质是点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。热膨胀与原子间的结合键强弱及相互位置有关。在共价键晶体的位能曲线上，对称性好，键合力强，显示较小的热膨胀。在离子键晶体引力项中，主要为库仑引力，键合力较弱，热膨胀较大。

石英砂主要成分为SiO2，结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，大而透明棱柱状的石英叫水晶。若含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。

SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元是四面体，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在四个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O与2个Si相结合。实际上，SiO2晶体是由Si和O按1：2的比例所组成的立体网状结构的晶体。因此，通常用SiO2来表示二氧化硅的组成。

SiO2为共价化合物，当外界温度升高时，键合力强，热膨胀较小，所以石英砂热膨胀系数较小，耐高温。