Ponto de fusão do quartzo: aplicações, critérios de seleção e orientações práticas

Um engenheiro de processo que dimensiona um forno tubular de 1.200 °C geralmente faz duas perguntas antes de o pedido de compra ser enviado: qual é o ponto de fusão do quartzo e o que o tubo realmente fará quando estiver quente. A primeira resposta é curta – o quartzo cristalino derrete em algum lugar entre 1670 °C e 1713 °C, dependendo da forma cristalina e da rota de medição citada. A segunda resposta é aquela que decide se o forno funcionará durante três anos ou três meses.

Aqui está a resposta prática que damos aos clientes: o vidro de quartzo não falha no seu ponto de fusão. Ele falha onde cede, desvitrifica ou cristaliza, e para o quartzo fundido transparente padrão esse ponto chega entre 1100 °C e 1200 °C em serviço contínuo. O restante deste artigo explica essa lacuna, porque é nela que reside cada decisão de compra.

Ponto de fusão do quartzo: 1670 °C, mais três temperaturas que decidem seu processo

O valor de 1670 °C descreve o quartzo cristalino - o mineral, com uma rede ordenada de tetraedros de SiO4. Aquecê-lo não é um evento único e limpo. A inversão alfa-beta a 573 °C é uma mudança estrutural que a maioria dos usuários de fornos nunca percebe, porque trabalham com vidro em vez de cristal. Mais acima, acima de aproximadamente 870 °C, a rede começa a se converter em tridimita e cristobalita, e a cristobalita derrete a cerca de 1713 °C. É por isso que livros didáticos, manuais e fichas técnicas de fornecedores citam qualquer coisa entre 1670 °C e 1713 °C para a mesma fórmula química, sem que ninguém esteja errado.

Derreta o quartzo cristalino e resfrie-o rapidamente e você obterá vidro de quartzo fundido, um sólido amorfo. Amorfo significa nenhuma ordem de longo alcance, o que por sua vez significa nenhum ponto de fusão acentuado. Em vez de uma linha de fusão, há uma curva de viscosidade, e os engenheiros lêem quatro pontos práticos dessa curva.

Quartzo cristalino versus vidro de quartzo fundido

Para os compradores, a distinção é prática e não acadêmica. Uma peça de quartzo cristalino e uma peça de quartzo fundido podem apresentar declarações de pureza de SiO2 idênticas e comportar-se de maneira completamente diferente no mesmo forno. A forma cristalina se expande acentuadamente na inversão de 573 °C e pode lascar ou rachar; a forma do vidro não tem inversão, razão pela qual os tubos de quartzo transparentes, as placas de quartzo e as janelas de quartzo são feitos de material fundido em vez de cristal fatiado. Quando um desenho exige uma janela óptica que deve resistir a 900 °C, o material especificado é vidro, não cristal, e deve ser encomendado dessa forma.

Há uma segunda consequência que é fácil de ignorar. O quartzo fundido é um produto derretido, portanto o ponto de fusão define o limite máximo para o processo de fabricação em si, não apenas para a peça acabada. Os fornos de fusão elétricos funcionam bem acima de 2.000 °C no arco para derreter areia de alta pureza, e o processo de trefilação do tubo que se segue trabalha o vidro a cerca de 2.000 °C. No momento em que um tubo chega ao cliente, ele já está mais quente do que jamais estará em serviço – e é exatamente por isso que a classe de bolha fornecida e o conteúdo de OH são tão importantes.

Pontos de deformação, recozimento e amolecimento em termos simples

Em vez de uma temperatura, o quartzo fundido transparente é especificado por três, e todos eles ficam muito abaixo do ponto de fusão. Os valores abaixo são típicos para vidro de quartzo transparente padrão; os números exatos variam um pouco com o conteúdo e a nota do OH.

Leia essa tabela como um conjunto de limites e não como trivialidades. Se uma placa tiver que manter seu nivelamento após dez ciclos térmicos, segure-a sob o ponto de deformação; acima disso, a tensão relaxa e a geometria se move. Se um tubo for trabalhado a chama em um coletor ou em forma de U, o ponto de trabalho informa o quanto ele se moverá sob seu próprio peso enquanto estiver quente. O amolecimento ocorre quando o material para de se comportar como um componente sólido e começa a se comportar como um líquido muito rígido.

Uma regra que repetimos frequentemente: um tubo de quartzo transparente suspenso em 600 mm a 1150 °C irá ceder de forma mensurável dentro de algumas centenas de horas, mesmo que fique cerca de 500 °C abaixo do amolecimento. Sag, e não derretimento, é o modo de falha que a maioria dos construtores de fornos realmente enfrenta.

Pontos de fusão e amolecimento em comparação com outros materiais de alta temperatura

Os designers raramente escolhem o quartzo isoladamente; geralmente é pesado contra alumina, borosilicato ou grafite. O gráfico abaixo coloca os números-chave em uma escala, usando pontos de amolecimento para vidros porque o amolecimento é o valor que se comporta como um limite de trabalho em um forno real.

Três coisas se destacam quando os números estão lado a lado. Primeiro, o ponto de amolecimento do vidro de quartzo fundido fica a algumas dezenas de graus do ponto de fusão do quartzo cristalino, de modo que o valor do título e o teto prático estão mais próximos do que a maioria das pessoas espera. Em segundo lugar, a diferença entre o quartzo e o borossilicato 3.3 é superior a 800 °C, razão pela qual os laboratórios mantêm o borossilicato para a química ambiente e passam para cubetas de quartzo, tubos de digestão de quartzo e béqueres de quartzo quando um método precisa de 300 °C ou de um caminho UV limpo. Terceiro, o desempenho do choque térmico não segue a classificação de temperatura: o quartzo sobrevive ao resfriamento da água devido ao calor vermelho, em grande parte porque sua expansão é de cerca de 0,55 ppm/K, de modo que a deformação através de uma parede permanece pequena mesmo sob um gradiente brutal, enquanto a alumina a 8 ppm/K não.

A linha de grafite explica um padrão que você vê em zonas quentes de crescimento de cristais: o grafite é usado atrás do cadinho de quartzo, não em seu lugar. O grafite precisa de uma atmosfera inerte ou de vácuo, o quartzo não, e o quartzo é transparente, o que é importante quando um engenheiro de processo deseja ver o que está acontecendo dentro de um reator. A escolha entre eles raramente envolve qual deles derrete mais tarde.

Por que dois fornecedores citam números diferentes para a mesma nota

Duas cotações para o que parece ser um tubo de quartzo transparente idêntico podem diferir em 30%, e o ponto de fusão quase nunca é o motivo. As classes transparentes padrão são todas especificadas na mesma faixa. O que se move é o conteúdo de OH, classe de bolha e vestígios de impureza metálica, e esses três mudam o comportamento da peça abaixo do amolecimento.

Como a rota de fusão muda o comportamento

• A fusão elétrica derrete areia de alta pureza em um forno de resistência ou de arco, proporcionando quartzo transparente com OH moderado, boa transmissão infravermelha e viscosidade consistente.
• A fusão por chama usa uma chama de hidrogênio-oxigênio, produz maior teor de OH, reduz a viscosidade e é comum para tubos com volume aumentado.
• A fusão de plasma mantém a contaminação metálica muito baixa e é usada onde a peça não deve colorir ou desvitrificar rapidamente.
• O material sintético ou depositado por vapor começa a partir de um precursor de silício em vez de areia, atingindo os níveis mais baixos de impurezas metálicas para semicondutores e trabalhos com UV profundo.

O conteúdo de OH é a variável prática. Os grupos hidroxila quebram a rede de sílica e diminuem a viscosidade, de modo que um tubo com alto teor de OH cede mais cedo na mesma temperatura do que um tubo com baixo teor de OH de dimensões idênticas. A compensação não é gratuita: o material com baixo teor de OH mantém melhor a forma em um forno quente, mas absorve de maneira diferente no infravermelho, o que é importante para aquecedores e peças ópticas infravermelhas. Essa é a verdadeira razão pela qual uma folha de dados lista tanto um ponto de amolecimento quanto um valor de OH.

As bolhas funcionam da mesma maneira. Um cordão de bolhas visível próximo à parede interna torna-se um local de nucleação para o crescimento da cristobalita, e a cristobalita é o início da mancha leitosa que eventualmente se descama na câmara de processo. Dois tubos com o mesmo ponto de amolecimento, mas com classes de bolha diferentes, não terão a mesma vida útil.

Tubos, hastes e placas de quartzo: onde o ponto de fusão deixa de importar

Depois que uma peça está dentro de um forno, ninguém mais verifica o ponto de fusão. As questões são se o tubo mantém seu diâmetro interno, se uma junta de flange permanece selada após quarenta ciclos e com que rapidez a parede interna fica leitosa.

Tubo de quartzo transparente para serviço de forno de alta temperatura Tubo de quartzo transparente com baixo teor de hidroxila com >99,9% de SiO2 e tolerâncias dimensionais restritas, adequado para furos de forno onde a resistência à fluência e à vedação são importantes. Ver Produto →

O que acontece com um tubo de quartzo à temperatura

A 1150 °C, um tubo de quartzo transparente está aproximadamente 500 °C abaixo do amolecimento, mas ainda assim se arrasta sob carga. O mecanismo é o fluxo viscoso nos pontos de apoio e em qualquer ponto onde a parede carrega peso. As contramedidas práticas são pouco glamorosas e eficazes: encurtar o vão entre os suportes, girar o tubo entre as campanhas se a geometria permitir e especificar seções de paredes pesadas onde o tubo deve transpor uma ampla zona quente sem suporte intermediário.

Acima de cerca de 1150 °C, a desvitrificação torna-se o modo de envelhecimento dominante, em vez da flacidez. A contaminação da superfície – impressões digitais, poeira alcalina, resíduos de agentes de limpeza, contato com certos cimentos refratários – catalisa a formação de cristobalita, e a cristobalita cresce como manchas brancas opacas que eventualmente se desintegram. Manusear com luvas limpas e armazenar os tubos tampados não é complicado; prolonga diretamente a vida útil.

Hastes, placas e peças usinadas

Os sólidos se comportam de maneira diferente das paredes finas. Uma haste de quartzo sólida usada como suporte ou acessório tem mais massa térmica e aquece mais lentamente, o que reduz o gradiente na peça, mas aumenta a penalidade por uma rampa mal controlada. Placas e discos de quartzo usados ​​como janelas, defletores ou transportadores de wafer são geralmente limitados pela planicidade e não pela resistência, de modo que o ponto de tensão se torna o teto operacional: uma placa que deve permanecer plana não deve funcionar acima de cerca de 1075 °C por longos períodos.

Para peças que devem manter tolerâncias rígidas, o quartzo retificado com precisão é normalmente especificado com o histórico de temperatura em mente, porque retificar uma peça e depois operá-la a quente pode liberar a tensão que foi bloqueada durante a fabricação. Um fornecedor que conheça a temperatura de serviço pretendida normalmente recomendará uma etapa de recozimento antes da retificação final.

Cadinhos de quartzo: a parede mais quente de todo o processo

Os cadinhos são a única aplicação onde a temperatura de serviço realmente supera o ponto de fusão. No crescimento do cristal Czochralski, o silício fundido fica em torno de 1.420 a 1.450 °C, e a parede interna do cadinho, em contato com esse fundido, fica ainda mais quente. A parede externa toca um susceptor de grafite que está acima de 1400 °C. Durante algumas centenas de horas, a parede de quartzo é a cerâmica estrutural mais quente da máquina.

Cadinho de quartzo de grau semicondutor para crescimento de cristal Czochralski Cadinho de quartzo de alta pureza com SiO2 acima de 99,998% e tamanhos de 14–28 polegadas, relevante onde o contato do fundido Czochralski e a progressão da cristobalita limitam a vida útil. Ver Produto →

Por que um cadinho é um consumível e não um componente

A estas temperaturas, a parede está várias centenas de graus acima do ponto de deformação e deforma-se. Isso é aceito porque um cadinho é projetado como consumível com uma janela de serviço conhecida. Em vez disso, o que a indústria consegue é a progressão: a superfície interna converte-se lentamente em cristobalite, a camada convertida gera partículas e a resistência mecânica da parede diminui à medida que a conversão se aprofunda. O fim da vida é declarado muito antes de qualquer coisa se aproximar do derretimento.

Os cadinhos eletrônicos são construídos em camadas exatamente por esse motivo. Uma camada interna de alta pureza protege o fundido contra contaminação, uma camada intermediária contendo bolhas fornece isolamento térmico e resiliência estrutural, e uma camada externa fornece resistência mecânica contra o susceptor. Os cadinhos fotovoltaicos seguem a mesma lógica com um ciclo de trabalho mais curto, onde o custo por quilograma de silício é mais importante do que a última porcentagem da vida útil.

Ao comprar, as questões que predizem o desempenho não são sobre o ponto de fusão do quartzo. Eles tratam da distribuição de bolhas, da pureza da superfície interna, da tolerância à espessura da parede e do histórico térmico especificado que o cadinho já viu durante a fabricação. Um atacadista ou distribuidor que lida com grandes volumes normalmente manterá uma tolerância de parede mais restrita do que um comerciante geral, porque os operadores de fornos indexam a geometria do seu susceptor a essa tolerância.

Peças ópticas e UV: calor e transmissão juntos

As peças ópticas de quartzo adicionam uma segunda restrição que a maioria das peças térmicas não possui: o que quer que aconteça com a curva de transmissão depois que a peça estiver quente. Uma janela que sobrevive à temperatura, mas perde a capacidade de UV profundo, é uma especificação que falhou.

Vidro óptico de quartzo UV distante JGS1 O vidro de quartzo JGS1 transmite de 185–250 nm sem absorção e é relevante quando a produção de UV profundo deve sobreviver à exposição a altas temperaturas. Ver Produto →

Três classes ópticas, três comportamentos

O quartzo óptico UV distante é de alto grau de OH, transmitindo bem abaixo de 250 nm, mas com viscosidade afetada pelo mesmo conteúdo de hidroxila. O quartzo de grau UV fica no meio, e o quartzo de grau infravermelho é deliberadamente baixo em OH, de modo que a banda de absorção próxima a 2,7 micrômetros permanece fora da faixa de trabalho. Cada grau tem essencialmente o mesmo ponto de fusão; cada um se comporta de maneira diferente quando o invólucro da lâmpada atinge 800 °C.

Dois efeitos térmicos são importantes para peças ópticas. A primeira é a birrefringência de tensões: uma janela presa entre um flange quente e uma moldura fria desenvolve um gradiente, e a tensão resultante muda a polarização. A segunda é mais permanente – a exposição prolongada a altas temperaturas combinada com o fluxo UV pode compactar ou solarizar o material, mudando a transmissão lentamente ao longo de uma campanha. Nenhum dos dois é um problema de fusão e nenhum deles aparecerá se o comprador solicitar apenas o ponto de fusão.

Elementos de aquecimento e utensílios de laboratório: o lado cotidiano de um material a 1670 °C

A maior parte do quartzo do mundo nunca chega perto do seu limite. Um tubo de aquecimento infravermelho de fibra de carbono mantém um filamento em torno de 1100 ° C dentro de um envelope que funciona muito mais frio, e a função do envelope é transmissão e proteção mecânica, em vez de resistência ao calor. O quartzo leitoso ou opaco é frequentemente preferido porque difunde a emissão e esconde o filamento, embora a sua transmissão seja inferior à do material transparente.

Os utensílios de quartzo de laboratório são a mesma história com um toque diferente. Um tubo de digestão de quartzo trabalhando a 250 °C com ácido quente não está nem perto de qualquer limite térmico; seu inimigo é o choque térmico durante o enxágue e o manuseio, além do ataque por ácido fluorídrico ou álcali concentrado quente. Béqueres de quartzo, cubetas e placas de evaporação falham devido ao manuseio e à química com muito mais frequência do que devido à temperatura.

Isso torna o ponto de fusão do quartzo quase irrelevante nessas famílias de produtos – e faz com que a consistência da entrega, a tolerância da parede e o acabamento superficial sejam itens que valem a pena negociar. Para um distribuidor ou atacadista de suprimentos de laboratório, o valor prático de um fabricante que publica classes de bolhas e dados de OH é que menos unidades voltam quebradas após a primeira lavagem.

Seis regras para trabalhar entre 1100 °C e 1400 °C

Tudo abaixo pressupõe quartzo fundido transparente de qualidade comercial comum. São as verificações que evitam a maioria das falhas prematuras que vemos discutidas nas consultas recebidas.

1. Defina um teto de projeto no ponto de tensão para qualquer coisa que deva manter suas dimensões e trate 1100 °C como o teto de trabalho para retenções de ar longas e contínuas.
2. Controle a contaminação na superfície. Álcalis, impressões digitais, talco e alguns cimentos refratários aceleram o crescimento da cristobalita, portanto manuseie com luvas e guarde tampado.
3. Apoie os tubos quentes em intervalos mais próximos do que os frios. Encurtar um vão de 900 mm para 400 mm muitas vezes duplica a vida útil a 1200 °C.
4. Rampa e esfrie com o gradiente em mente, e não com a média. O quartzo tolera têmpera em paredes finas, mas não em um flange de aço frio aparafusado a um tubo quente.
5. Observe os materiais de contato. Alguns refratários e cerâmicas aderem à sílica em altas temperaturas e geram pontos de tensão quando o conjunto esfria.
6. Mantenha a atmosfera limpa de qualquer coisa que ataque a sílica. Mesmo vestígios de fluoreto de hidrogênio ou vapor alcalino encurtam drasticamente a vida útil, e nenhum tipo de quartzo está imune.

Adicionar essas seis verificações a uma especificação não custa quase nada na fase de desenho e pode acrescentar meses a uma campanha de forno. O que compensa mais rápido geralmente é o espaçamento entre apoios, porque é uma mudança de geometria e não de material.

Perguntas frequentes sobre o ponto de fusão do quartzo

Qual é o ponto de fusão do quartzo em Celsius e Fahrenheit?

O quartzo cristalino derrete entre aproximadamente 1.670 °C e 1.713 °C, que é cerca de 3.040 °F a 3.115 °F. A faixa existe porque diferentes formas cristalinas de SiO2 convertem e fundem em temperaturas ligeiramente diferentes. O vidro de quartzo fundido não possui um ponto de fusão verdadeiro; ele amolece por volta de 1665 °C e flui gradualmente acima disso.

O vidro de quartzo derrete ou amolece?

Isso suaviza. Como o quartzo fundido é amorfo, ele passa por uma faixa de viscosidade em vez de cruzar uma linha de fusão. É por isso que um tubo de quartzo pode ser dobrado a 2.000 °C, puxado para o capilar a temperaturas semelhantes e ainda assim manter uma carga a 1.100 °C.

Um tubo de quartzo transparente pode funcionar continuamente a 1400°C?

Não é confiável no ar. Os graus transparentes padrão são classificados para aproximadamente 1.100 °C a 1.200 °C contínuos, com excursões curtas mais altas. Opacos e alguns graus especiais toleram mais, mas a flacidez e a desvitrificação, e não o derretimento, estabelecem o limite. Para operação sustentada acima de 1200 °C, o design do suporte e a atmosfera geralmente também precisam mudar.

Por que meu tubo de quartzo fica branco leitoso depois de algumas semanas?

Isso é desvitrificação: conversão de sílica amorfa em cristobalita, geralmente começando em um local contaminado ou em uma bolha. É acelerado por álcalis, pelo manuseio de resíduos e por temperaturas mais altas. Depois que um patch se forma, ele tende a crescer e, eventualmente, se fragmentar.

O conteúdo de OH altera o ponto de fusão do vidro de quartzo?

Apenas marginalmente, mas altera a viscosidade e, portanto, cai visivelmente. Os graus de baixo OH mantêm melhor a forma em longos períodos de retenção a quente, enquanto os graus de alto OH são mais fáceis de trabalhar e transmitem ainda mais para o UV profundo.

Quartzo é o mesmo que sílica fundida?

Quimicamente sim, estruturalmente não. O quartzo é SiO2 cristalino; sílica fundida ou vidro de quartzo é a mesma composição em estado amorfo, produzido por fusão e resfriamento rápido. Quase todas as janelas, tubos e cadinhos de quartzo transparentes em uso industrial têm a forma de vidro.

Qual é a temperatura máxima de trabalho do vidro de quartzo?

Para material transparente padrão no ar, planeje 1100 °C contínuo e até cerca de 1300 °C para excursões curtas com bom suporte e uma superfície limpa. Os graus de baixo OH e as paredes mais espessas alteram esses números modestamente, mas não alteram a ordem de grandeza.

O que devo dizer a um fabricante ou fornecedor de quartzo quando solicito um orçamento?

Forneça a temperatura de pico, a temperatura contínua, o tempo de permanência, a atmosfera, a geometria de suporte ou fixação e qualquer requisito de transmissão óptica. Essas cinco respostas determinam o grau, o nível de OH e a espessura da parede muito mais do que o ponto de fusão, e permitem que um fornecedor cite uma peça que ainda estará inteira no final da campanha.

Verificando uma especificação em relação aos dados reais do produto

Se um projeto estiver entre 1.000 °C e 1.300 °C, o próximo passo sensato é comparar a taxa pretendida com as páginas reais do produto, em vez de uma tabela genérica de materiais. Os dois pontos de partida mais úteis são a linha de tubos, onde a espessura da parede e o nível de OH determinam tudo, e os graus de baixo OH, onde a estabilidade dimensional à temperatura é o ponto principal.

Um fabricante que trabalha com dados de seu próprio forno normalmente responderá a uma pergunta de temperatura com uma recomendação de grau em vez de um único número, e essa é a resposta que vale a pena ter. Os pontos de fusão raramente perdem uma campanha de forno; um tubo que afunda dois milímetros demais, ou uma janela que fica turva no comprimento de onda errado, sim. Traga a temperatura de pico, o tempo de espera e a atmosfera, e o número deixa de ser uma trivialidade e passa a ser uma especificação.