Quartzo fundido - Fused quartz

Esta esfera de quartzo fundido foi fabricada para uso em um giroscópio no experimento Gravity Probe B. É uma das esferas mais precisas já fabricadas, desviando-se de uma esfera perfeita em não mais do que 40 átomos de espessura. Apenas as estrelas de nêutrons e as esferas de silício de cristal único usadas no Projeto Avogadro são consideradas mais suaves.

Quartzo fundido , sílica fundida ou vidro de quartzo é um vidro que consiste em sílica quase pura (dióxido de silício, SiO 2 ) em forma amorfa (não cristalina ). Isso difere de todos os outros vidros comerciais nos quais são adicionados outros ingredientes que alteram as propriedades ópticas e físicas dos vidros, como a redução da temperatura de fusão. O quartzo fundido, portanto, tem altas temperaturas de trabalho e fusão, tornando-o menos desejável para a maioria das aplicações comuns.

Os termos quartzo fundido e sílica fundida são usados ​​indistintamente, mas podem se referir a diferentes técnicas de fabricação, conforme observado abaixo, resultando em diferentes vestígios de impurezas. No entanto, o quartzo fundido, estando no estado vítreo , tem propriedades físicas bastante diferentes em comparação com o quartzo cristalino . Devido às suas propriedades físicas, encontra usos especiais na fabricação de semicondutores e equipamentos de laboratório, por exemplo.

Em comparação com outros vidros comuns, a transmissão ótica de sílica pura se estende bem nos comprimentos de onda ultravioleta e infravermelho , então é usada para fazer lentes e outras óticas para esses comprimentos de onda. Dependendo dos processos de fabricação, as impurezas restringirão a transmissão óptica, resultando em graus comerciais de quartzo fundido otimizado para uso no infravermelho ou (mais frequentemente referido como sílica fundida) no ultravioleta. O baixo coeficiente de expansão térmica do quartzo fundido o torna um material útil para substratos de espelho de precisão.

Fabricar

O quartzo fundido é produzido pela fusão (fusão) de areia de sílica de alta pureza, que consiste em cristais de quartzo . Existem quatro tipos básicos de vidro de sílica comercial:

  • O tipo I é produzido por fusão por indução do quartzo natural no vácuo ou em uma atmosfera inerte.
  • O tipo II é produzido pela fusão do pó de cristal de quartzo em uma chama de alta temperatura.
  • O tipo III é produzido pela queima de SiCl 4 em uma chama de hidrogênio - oxigênio .
  • O tipo IV é produzido pela queima de SiCl 4 em uma chama de plasma sem vapor d'água.

O quartzo contém apenas silício e oxigênio, embora o vidro de quartzo comercial geralmente contenha impurezas. Duas impurezas dominantes são o alumínio e o titânio, que afetam a transmissão óptica em comprimentos de onda ultravioleta. Se houver água no processo de fabricação, grupos hidroxila (OH) podem se incorporar, o que reduz a transmissão no infravermelho.

Fusão

A fusão é efetuada a aproximadamente 1650 ° C (3000 ° F) usando um forno aquecido eletricamente (eletricamente fundido) ou um forno a gás / oxigênio (fundido à chama). A sílica fundida pode ser feita de quase qualquer precursor químico rico em silício , geralmente usando um processo contínuo que envolve a oxidação por chama de compostos voláteis de silício em dióxido de silício e fusão térmica da poeira resultante (embora processos alternativos sejam usados). Isso resulta em um vidro transparente com uma pureza ultra-alta e uma transmissão ótica melhorada no ultravioleta profundo. Um método comum envolve a adição de tetracloreto de silício a uma chama de hidrogênio-oxigênio.

Qualidade do produto

O quartzo fundido é normalmente transparente. O material pode, no entanto, tornar-se translúcido se pequenas bolhas de ar ficarem presas em seu interior. O conteúdo de água (e, portanto, a transmissão infravermelha) do quartzo fundido é determinado pelo processo de fabricação. O material fundido a chama tem sempre um maior teor de água devido à combinação dos hidrocarbonetos e do oxigênio que abastece o forno, formando grupos hidroxila [OH] dentro do material. Um material de grau IR normalmente tem um conteúdo de [OH] abaixo de 10 ppm.

Formulários

Muitas aplicações ópticas do quartzo fundido exploram sua ampla faixa de transparência, que pode se estender bem ao ultravioleta e ao infravermelho próximo ao médio. Quartzo fundido é o principal material de partida para fibra óptica , usada para telecomunicações.

Por causa de sua força e alto ponto de fusão (em comparação com o vidro comum ), o quartzo fundido é usado como um envelope para lâmpadas halógenas e lâmpadas de descarga de alta intensidade , que devem operar em uma temperatura de envelope alta para atingir sua combinação de alto brilho e longa vida . Alguns tubos de vácuo de alta potência usavam envelopes de sílica cuja boa transmissão em comprimentos de onda infravermelhos facilitou o resfriamento por radiação de seus ânodos incandescentes .

Por causa de sua força física, o quartzo fundido foi usado em embarcações de mergulho profundo, como a batisfera e o bentoscópio, e nas janelas de espaçonaves tripuladas, incluindo o Ônibus Espacial e a Estação Espacial Internacional .

Na indústria de semicondutores, sua combinação de resistência, estabilidade térmica e transparência UV torna-o um excelente substrato para máscaras de projeção para fotolitografia .

Uma EPROM com janela de quartzo fundido na parte superior da embalagem

Sua transparência UV também é usada como janelas em EPROMs (memória somente leitura programável apagável ), um tipo de chip de memória não volátil que é apagado pela exposição à forte luz ultravioleta. As EPROMs são reconhecidas pela janela de quartzo fundido transparente (embora alguns modelos posteriores usem resina transparente aos raios ultravioleta ) que fica no topo da embalagem, através da qual o chip de silício é visível e que transmite a luz ultravioleta para apagar.

Devido à estabilidade e composição térmica, é utilizado no armazenamento óptico de dados 5D e em fornos de fabricação de semicondutores.

O quartzo fundido tem propriedades quase ideais para a fabricação de primeiros espelhos de superfície , como os usados ​​em telescópios . O material se comporta de maneira previsível e permite que o fabricante óptico aplique um polimento muito liso na superfície e produza a figura desejada com menos iterações de teste. Em alguns casos, um grau UV de alta pureza de quartzo fundido foi usado para fazer vários dos elementos de lente individuais não revestidos de lentes de uso especial, incluindo o Sonnar Zeiss 105 mm f / 4.3 UV, uma lente anteriormente feita para a câmera Hasselblad, e a lente Nikon UV-Nikkor 105 mm f / 4.5 (atualmente vendida como a Nikon PF10545MF-UV). Essas lentes são usadas para fotografia UV, já que o vidro de quartzo pode ser transparente em comprimentos de onda muito mais curtos do que as lentes feitas com as fórmulas mais comuns de sílex ou vidro coroa .

O quartzo fundido pode ser metalizado e gravado para uso como substrato para circuitos de micro-ondas de alta precisão, a estabilidade térmica tornando-o uma boa escolha para filtros de banda estreita e aplicações exigentes semelhantes. A constante dielétrica mais baixa do que a alumina permite faixas de impedância mais alta ou substratos mais finos.

Aplicações de materiais refratários

O quartzo fundido como matéria-prima industrial é usado para fazer vários formatos refratários, como cadinhos, bandejas, coberturas e rolos para muitos processos térmicos de alta temperatura, incluindo fabricação de aço , fundição de investimento e fabricação de vidro. Formas refratárias feitas de quartzo fundido têm excelente resistência ao choque térmico e são quimicamente inertes à maioria dos elementos e compostos, incluindo virtualmente todos os ácidos, independentemente da concentração, exceto o ácido fluorídrico , que é muito reativo mesmo em concentrações razoavelmente baixas. Tubos de quartzo fundido translúcido são comumente usados ​​para embainhar elementos elétricos em aquecedores de ambiente , fornos industriais e outras aplicações semelhantes.

Devido ao seu baixo amortecimento mecânico em temperaturas normais, é usado para ressonadores de alto Q , em particular, para ressonador de vidro de giroscópio de ressonador hemisférico. Pela mesma razão, o quartzo fundido também é o material usado para instrumentos de vidro modernos, como a harpa de vidro e o verrofone , e também é usado para novas construções da gaita de vidro histórica , dando a esses instrumentos uma faixa dinâmica maior e um som mais claro do que com o cristal de chumbo historicamente usado .

O vidro de quartzo é ocasionalmente usado em laboratórios de química quando o vidro de borosilicato padrão não pode suportar altas temperaturas ou quando uma alta transmissão de UV é necessária. O custo de produção é significativamente maior, limitando seu uso; geralmente é encontrado como um único elemento básico, como um tubo em uma fornalha, ou como um frasco, os elementos expostos diretamente ao calor.

Propriedades do quartzo fundido

O coeficiente de expansão térmica extremamente baixo, cerca de 5,5 ⋅ 10 −7 / K (20 ... 320 ° C), é responsável por sua notável capacidade de sofrer grandes e rápidas mudanças de temperatura sem rachaduras (ver choque térmico ).

Fosforescência em quartzo fundido de um pulso extremamente intenso de luz ultravioleta em um tubo de flash, centrado em 170 nm

O quartzo fundido é propenso a fosforescência e " solarização " (descoloração arroxeada) sob intensa iluminação ultravioleta, como é freqüentemente visto em tubos de flash . A sílica sintética fundida de "grau UV" (vendida sob vários nomes comerciais, incluindo "HPFS", "Spectrosil" e "Suprasil") tem um teor de impurezas metálicas muito baixo, tornando-a transparente mais profundamente no ultravioleta. Uma óptica com espessura de 1 cm tem uma transmitância em torno de 50% em um comprimento de onda de 170 nm, que cai para apenas uma pequena porcentagem em 160 nm. No entanto, sua transmissão infravermelha é limitada pela forte absorção de água a 2,2 μm e 2,7 μm.

Quartzo fundido de "grau infravermelho" (nomes comerciais "Infrasil", "Vitreosil IR" e outros), que é eletricamente fundido, tem uma maior presença de impurezas metálicas, limitando seu comprimento de onda de transmitância UV a cerca de 250 nm, mas um teor de água muito menor , levando a uma excelente transmissão infravermelha de até 3,6 μm de comprimento de onda. Todos os tipos de quartzo / sílica fundida transparente têm propriedades mecânicas quase idênticas.

Índice de refração

A dispersão óptica de quartzo fundido pode ser aproximada pela seguinte equação de Sellmeier :

onde o comprimento de onda é medido em micrômetros. Esta equação é válida entre 0,21 e 3,71 μm e a 20 ° C. Sua validade foi confirmada para comprimentos de onda de até 6,7 μm. Dados experimentais para as partes real (índice de refração) e imaginária (índice de absorção) do índice de refração complexo de quartzo fundido relatados na literatura na faixa espectral de 30 nm a 1000 μm foram revisados ​​por Kitamura et al. e estão disponíveis online .

Seu Abbe Number bastante alto de 67,8 o torna um dos vidros de menor dispersão em comprimentos de onda visíveis, além de ter um índice de refração excepcionalmente baixo no visível (n d = 1,4585). Observe que o quartzo fundido tem um índice de refração muito diferente e inferior em comparação com o quartzo cristalino, que é birrefringente com índices de refração n o = 1,5443 e n e = 1,5534 no mesmo comprimento de onda. Embora essas formas tenham a mesma fórmula química, suas estruturas diferentes resultam em propriedades ópticas e físicas diferentes.

Lista de propriedades físicas

Veja também

Referências

links externos