Quais são os principais componentes químicos das varetas de vidro de quartzo?

O principal componente químico do hastes de vidro de quartzo é o dióxido de silício (SiO₂), cuja pureza geralmente é superior a 99,9%, e o vidro de quartzo de alta pureza pode até atingir 99,9999% (grau 6N).

1. Estrutura molecular do dióxido de silício (SiO₂)
A razão fundamental pela qual os bastões de vidro de quartzo têm excelentes propriedades físicas e químicas é a estrutura molecular especial do dióxido de silício. Ao contrário do vidro comum, a microestrutura do vidro de quartzo apresenta uma característica semelhante a uma rede altamente estável, que determina diretamente as propriedades térmicas, ópticas e mecânicas do material.

No nível atômico, a unidade estrutural básica do dióxido de silício é o tetraedro silício-oxigênio. Nesta estrutura, um átomo de silício está localizado no centro e quatro átomos de oxigênio estão distribuídos uniformemente nos vértices do tetraedro. Cada átomo de oxigênio forma uma forte ligação covalente com o átomo central de silício. Este método de ligação possui energia de ligação extremamente alta, tornando toda a estrutura extremamente estável.

É particularmente digno de nota que cada átomo de oxigênio geralmente forma uma ponte com dois átomos de silício, conectando assim tetraedros adjacentes de silício-oxigênio para formar uma estrutura de rede tridimensional contínua. Este modo de conexão exclusivo fornece ao vidro de quartzo excelente resistência mecânica e estabilidade química.

A característica estrutural mais notável do vidro de quartzo é a sua natureza amorfa. Embora o arranjo dos tetraedros silício-oxigênio na faixa local permaneça ordenado, o arranjo espacial desses tetraedros é completamente desordenado em uma escala macroscópica. Essa característica estrutural faz com que o vidro de quartzo seja isotrópico nas propriedades físicas, ou seja, suas propriedades não mudam com a direção de medição.

Comparado com o quartzo cristalino, a estrutura amorfa faz com que o vidro de quartzo não tenha um ponto de fusão claro, mas amolece gradualmente durante o aquecimento, o que é de grande importância em aplicações práticas.

Comparar o vidro de quartzo com o quartzo cristalino pode compreender mais claramente suas características estruturais. Os tetraedros silício-oxigênio no quartzo cristalino são organizados de acordo com regras estritas do sistema cristalino hexagonal para formar uma estrutura cristalina ordenada de longo alcance. Este arranjo ordenado faz com que o quartzo cristalino exiba anisotropia, como o famoso fenômeno de birrefringência. No entanto, o vidro de quartzo carece desta ordem de longo alcance e não produz birrefringência, o que lhe confere uma vantagem única em aplicações ópticas.

A estrutura especial da sílica determina diretamente as principais propriedades do vidro de quartzo. Primeiro, a estrutura de rede tridimensional contínua torna o material extremamente transparente e pode manter excelente transmitância das bandas ultravioleta ao infravermelho. Em segundo lugar, a rede composta por fortes ligações covalentes pode resistir eficazmente às alterações dimensionais causadas pelas alterações de temperatura, conferindo ao material um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo. Além disso, as ligações estáveis ​​de silício-oxigênio tornam o vidro de quartzo inerte à maioria dos produtos químicos e só será corroído por ácido fluorídrico e álcalis fortes.

Em aplicações práticas, mesmo pequenas quantidades de elementos de impureza podem ter um efeito significativo na estrutura da rede da sílica. Por exemplo, quando os íons de alumínio substituem os íons de silício e entram na rede, serão causados ​​defeitos estruturais, resultando em uma diminuição na transmitância ultravioleta do material. Da mesma forma, a introdução de íons de metais alcalinos interromperá a rede de ligação silício-oxigênio e reduzirá significativamente a resistência do material a altas temperaturas. Portanto, em aplicações de alto desempenho, a pureza das matérias-primas deve ser rigorosamente controlada para garantir a integridade da estrutura da rede de sílica.

2. A diferença entre a haste de vidro de quartzo e outros materiais de vidro
A partir da composição básica do material, haste de vidro de quartzo é quase inteiramente composto de dióxido de silício puro. Essa pureza extremamente alta faz com que forme uma rede tridimensional contínua e uniforme na microestrutura. Em contraste, o vidro comum, como o vidro de cal sodada, é muito mais complexo em composição e contém uma grande quantidade de óxidos modificados além do dióxido de silício.

Embora estes componentes adicionados melhorem o desempenho de processamento do vidro comum, eles também alteram fundamentalmente as propriedades essenciais do material. O vidro borossilicato, como outro tipo comum, tem uma composição entre os dois, e um desempenho relativamente equilibrado é obtido pela adição de óxido de boro.

Em termos de propriedades térmicas, as varetas de vidro de quartzo apresentam excelente estabilidade. Devido à sua estrutura de dióxido de silício puro e forte força de ligação silício-oxigênio, o vidro de quartzo pode suportar temperaturas extremamente altas sem amolecimento e deformação. Esta propriedade o torna a escolha ideal para experimentos de alta temperatura e aplicações industriais.

O vidro comum começa a amolecer a temperaturas relativamente baixas, o que limita severamente a sua utilização em ambientes de alta temperatura. Embora o vidro borossilicato tenha melhorado até certo ponto a resistência ao calor, ele ainda não consegue atingir o nível do vidro de quartzo.

Varetas de vidro de quartzo têm características de transmissão de luz extremamente excelentes devido à sua composição altamente pura e estrutura uniforme. Ele não só pode transmitir luz visível, mas também permitir que os raios ultravioleta e infravermelho passem suavemente. Essa capacidade de transmissão de luz de banda larga é difícil de ser alcançada por outros materiais de vidro.

O vidro comum contém vários íons metálicos e impurezas, o que tem um efeito de bloqueio muito óbvio nos raios ultravioleta, o que o torna completamente incapaz de substituir o vidro de quartzo em aplicações que requerem transmissão ultravioleta. Embora as propriedades ópticas do vidro borossilicato sejam melhores que as do vidro comum, sua transmitância de luz na região ultravioleta ainda é menor que a do vidro de quartzo.

Em termos de estabilidade química, as varetas de vidro de quartzo também apresentam excelente desempenho. Possui forte resistência à maioria das substâncias ácidas e só será corroído por algumas substâncias altamente corrosivas, como o ácido fluorídrico. Esta excelente resistência à corrosão o torna amplamente utilizado na indústria química. A estabilidade química do vidro comum é relativamente fraca, especialmente em ambientes alcalinos. Embora a resistência química do vidro borossilicato tenha sido melhorada, ainda não é comparável ao vidro de quartzo.

Do ponto de vista microscópico, outra característica importante do vidro de quartzo é o seu coeficiente de expansão térmica extremamente baixo. Isto significa que o tamanho do vidro de quartzo dificilmente muda significativamente quando a temperatura muda. Esta propriedade o torna insubstituível em instrumentos ópticos de precisão e ambientes com mudanças drásticas de temperatura. O vidro comum tem uma expansão térmica muito maior, o que pode causar tensões e até rachaduras quando a temperatura oscila. O vidro borossilicato reduz a expansão térmica por meio de uma fórmula de composição especial, mas ainda não tem um desempenho tão bom quanto o vidro de quartzo.

Em cenários de aplicação reais, essas diferenças de desempenho determinam diretamente os campos aplicáveis ​​de diferentes materiais de vidro. As hastes de vidro de quartzo são amplamente utilizadas em campos de ponta, como fabricação de semicondutores, óptica de precisão e experimentos de alta temperatura devido ao seu excelente desempenho abrangente.

O vidro comum é usado principalmente nas necessidades diárias e nas áreas de construção. Suas vantagens são baixo custo e fácil processamento. O vidro borossilicato conquistou sua própria posição no mercado e é utilizado em utensílios de laboratório e em algumas lâmpadas especiais.

3. Processo de produção de haste de vidro de quartzo
A produção de hastes de vidro de quartzo é um processo complexo que integra ciência de materiais, tecnologia de alta temperatura e processamento de precisão. O núcleo está em como converter matérias-primas de sílica em produtos em forma de bastão com requisitos específicos de desempenho e tamanho. Todo o processo de produção pode ser dividido em quatro etapas principais: processamento da matéria-prima, moldagem por fusão, moldagem por trefilação e pós-processamento. Cada etapa exige um controle rigoroso para garantir a qualidade do produto final.

(1). Preparação e pré-tratamento de matéria-prima
O primeiro elo na produção do vidro de quartzo é a seleção e purificação das matérias-primas. De acordo com os requisitos de qualidade do produto, areia de quartzo natural ou sílica sintética podem ser selecionadas como matéria-prima. Para hastes de quartzo com requisitos de alta pureza, geralmente é utilizada sílica sintética preparada por deposição química de vapor, e sua pureza pode atingir mais de 99,9999%.

As matérias-primas precisam passar por vários processos de purificação antes de entrar no processo de fusão: primeiro, a decapagem é usada para remover impurezas metálicas, depois o tratamento de cloração em alta temperatura é realizado para purificação adicional e, finalmente, a triagem de precisão é usada para garantir um tamanho de partícula uniforme. A qualidade do processamento nesta fase afeta diretamente as propriedades ópticas e a estabilidade térmica do produto final.

(2). Processo de fusão em alta temperatura
O derretimento é o principal elo da produção de vidro de quartzo. Atualmente, três tecnologias de fusão são utilizadas principalmente na indústria:

A fusão elétrica é o processo de produção mais tradicional. Em um ambiente de proteção a vácuo ou gás inerte, a areia de quartzo é derretida por um arco de alta temperatura gerado por um eletrodo de grafite. Este método tem um investimento relativamente baixo em equipamentos e é adequado para a produção de barras de quartzo de grande porte, mas uma pequena quantidade de impurezas de carbono pode permanecer no produto.

O método de refino de gás utiliza uma chama de hidrogênio-oxigênio como fonte de calor, e a temperatura pode atingir acima de 2.000°C. A areia de quartzo de alta pureza é derretida na chama de hidrogênio-oxigênio, e o vidro de quartzo de pureza extremamente alta pode ser obtido controlando com precisão a temperatura da chama e o tempo de fusão. Este método é particularmente adequado para a produção de hastes de quartzo de qualidade óptica, mas o consumo de energia é alto e a eficiência de produção é relativamente baixa.

A fusão por plasma é uma tecnologia de ponta desenvolvida nos últimos anos. Ele usa uma tocha de plasma para gerar temperaturas ultra-altas (até 3.000°C) para derreter as matérias-primas instantaneamente. A vantagem deste método é que ele pode produzir vidro de quartzo de altíssima pureza, quase livre de hidroxila e outras impurezas, e é particularmente adequado para aplicações de semicondutores e fibra óptica, mas o equipamento é complexo e caro.

(3). Processo de moldagem e desenho
O vidro de quartzo fundido precisa ser moldado com precisão para obter hastes que atendam aos requisitos. Existem dois métodos principais de moldagem:

O método de moldagem por molde injeta quartzo fundido em um molde especial e obtém a forma desejada controlando com precisão a taxa de resfriamento. Este método é adequado para a produção de hastes de quartzo de grande diâmetro, mas pode haver concentração de tensões dentro do produto.

O método de trefilação contínua é o processo de produção mais comumente utilizado. O quartzo fundido flui para fora de uma placa de vazamento especial e é aspirado a uma velocidade constante através de um sistema de tração controlado com precisão. Ajustando a velocidade e a temperatura de trefilação, podem ser obtidas diferentes especificações de produtos com diâmetros que variam de alguns milímetros a centenas de milímetros. O gradiente de temperatura e a taxa de resfriamento precisam ser controlados com precisão durante o processo de trefilação para garantir a precisão dimensional e a qualidade interna da haste.

(4). Tratamento de recozimento de precisão
A haste de quartzo recém-formada deve passar por um rigoroso processo de recozimento para eliminar tensões internas. O processo de recozimento geralmente é realizado em forno de recozimento especial, com temperatura controlada entre 1100-1200°C, e o tempo de isolamento depende do tamanho da haste. A chave é controlar rigorosamente a taxa de resfriamento. Normalmente, o método de resfriamento é segmentado. Pode levar vários dias da zona de alta temperatura para a zona de baixa temperatura. O recozimento perfeito pode melhorar significativamente a estabilidade térmica e a resistência mecânica da haste de quartzo.

(5). Pós-processamento e acabamento
A haste de quartzo recozida também precisa passar por vários processos de usinagem de precisão:

A usinagem inclui retificação cilíndrica, retificação de face final, etc. para garantir precisão dimensional e acabamento superficial. Para hastes de quartzo com requisitos especiais, pode ser necessário processamento complexo, como perfuração e canal.

O tratamento de superfície é uma etapa fundamental para melhorar o desempenho, incluindo processos como polimento a fogo e ataque químico. O polimento a fogo usa uma chama de alta temperatura para microderreter a superfície e obter uma superfície opticamente lisa; a gravação química é usada para remover a camada de dano de processamento e melhorar a resistência.

Os tratamentos especiais podem incluir: irradiação UV para melhorar as propriedades ópticas, tratamento térmico em alta temperatura para reduzir o teor de hidroxila ou revestimento de superfície para melhorar funções específicas de acordo com os requisitos da aplicação.

6. Inspeção e controle de qualidade
A haste de quartzo acabada precisa passar por uma série de rigorosos processos de inspeção de qualidade antes de sair da fábrica. Esses itens de inspeção abrangem vários indicadores-chave de desempenho do material, como óptico, físico, térmico e químico. No teste de desempenho óptico, os técnicos utilizarão um espectrofotômetro de precisão para medir as características de transmitância da haste de quartzo em diferentes comprimentos de onda, prestando especial atenção ao seu desempenho de transmitância nas bandas ultravioleta e infravermelha.

Ao mesmo tempo, interferômetros a laser e outros equipamentos serão usados ​​para detectar a uniformidade do índice de refração para garantir que o desempenho óptico de toda a haste de quartzo atenda aos requisitos do projeto. Esses dados de teste óptico são cruciais para determinar se o haste de quartzo é adequado para sistemas ópticos de precisão.

A detecção da precisão da dimensão geométrica é o elo básico do controle de qualidade. Os inspetores usarão paquímetros, micrômetros e outras ferramentas de medição de alta precisão para medir as dimensões básicas da haste de quartzo, como diâmetro, comprimento e circularidade. Para aplicações de alta demanda, uma máquina de medição de três coordenadas também pode ser usada para detecção dimensional mais precisa para garantir que a tolerância geométrica da haste de quartzo seja controlada dentro da faixa permitida. Este teste está diretamente relacionado à precisão de correspondência da haste de quartzo no processo subsequente de montagem e uso.

A inspeção de defeitos internos é realizada principalmente por equipamentos de teste profissionais. Os métodos comuns incluem observação por microscópio óptico, detecção de falhas por raios X e testes ultrassônicos. Esses métodos de detecção podem identificar com precisão os defeitos como bolhas, impurezas, rachaduras, etc. que podem existir dentro da haste de quartzo e determinar a qualidade do produto de acordo com o tamanho, quantidade e distribuição dos defeitos. Especialmente para hastes de quartzo de grau óptico e semicondutor, os padrões de controle para defeitos internos são mais rigorosos e geralmente não exigem nenhum defeito visível.

O teste de desempenho térmico inclui principalmente dois itens importantes: teste de coeficiente de expansão térmica e teste de resistência ao choque térmico. O teste do coeficiente de expansão térmica utiliza um analisador termomecânico para medir as alterações dimensionais da haste de quartzo em diferentes temperaturas. O teste de resistência ao choque térmico consiste em alternar rapidamente a haste de quartzo entre ambientes de alta e baixa temperatura para observar sua resistência a rachaduras. Esses dados de desempenho térmico são de grande valor de referência para avaliar a confiabilidade das hastes de quartzo em ambientes com mudanças de temperatura.

Os testes de estabilidade química avaliam principalmente a tolerância das hastes de quartzo em vários ambientes químicos. Os métodos de teste comuns incluem a imersão de amostras de hastes de quartzo em soluções ácidas e alcalinas de diferentes concentrações, observando suas mudanças de superfície e medindo as mudanças de peso e de rugosidade da superfície antes e depois da imersão.

Entre eles, o teste de resistência ao ácido fluorídrico é particularmente importante, porque o vidro de quartzo é particularmente suscetível à corrosão em ambiente de ácido fluorídrico. Através desses testes de qualidade abrangentes, pode-se garantir que cada haste de quartzo enviada da fábrica atenda aos rígidos padrões de qualidade e aos requisitos especiais de diferentes cenários de aplicação.

7. Campos de aplicação de hastes de vidro de quartzo
No campo da engenharia óptica, as hastes de vidro de quartzo desempenham um papel vital. Devido à sua excelente transmitância de luz de banda completa UV-visível-infravermelha, é um material ideal para a fabricação de componentes ópticos de alta precisão. Em aplicações de tecnologia laser, as hastes de quartzo são frequentemente usadas como meio de cavidade ressonante e janelas ópticas de lasers, especialmente em lasers de CO2 de alta potência, onde as hastes de quartzo podem suportar energia laser extremamente forte sem danos.

Em sistemas de comunicação de fibra óptica, hastes de vidro de quartzo de altíssima pureza são desenhadas com precisão para formar pré-formas de fibra óptica, que são as principais matérias-primas para a fabricação de fibras ópticas de comunicação. Na fabricação de instrumentos ópticos, as hastes de quartzo são processadas em diversas lentes, prismas e janelas ópticas, que são amplamente utilizadas em equipamentos ópticos de alta precisão, como espectrômetros e microscópios.

A indústria de semicondutores é particularmente dependente de varetas de vidro de quartzo. Durante o processo de fabricação do wafer, as hastes de quartzo são transformadas em vários formatos de transportadores de wafer, tubos de difusão e componentes da câmara de reação. Esses componentes precisam suportar o ambiente de alta temperatura no processo de fabricação de semicondutores e devem garantir que nenhuma impureza contaminante seja introduzida.

Na avançada tecnologia de litografia ultravioleta extrema (EUV), os componentes ópticos feitos de vidro de quartzo tornaram-se a chave para alcançar a precisão da litografia de nível nano devido ao seu coeficiente de expansão térmica extremamente baixo e excelente uniformidade óptica. Além disso, as hastes de vidro de quartzo também são amplamente utilizadas em janelas de observação, gasodutos e outras partes de equipamentos semicondutores devido à sua inércia química.

A indústria química utiliza plenamente a resistência à corrosão de hastes de vidro de quartzo . Em reatores químicos sob ambientes ácidos fortes, as janelas de observação de quartzo podem resistir a várias erosões ácidas fortes, exceto o ácido fluorídrico, por um longo tempo. Tubulações de distribuição de meio corrosivo, hastes de agitação e outros componentes na produção química também são frequentemente feitos de vidro de quartzo.

É particularmente importante mencionar que em experimentos de reação química de alta temperatura e alta pressão, os vasos de reação de quartzo podem suportar temperaturas e ambientes químicos severos ao mesmo tempo, proporcionando condições experimentais confiáveis ​​para os pesquisadores. O vidro de quartzo tem um desempenho muito melhor do que o vidro comum e a maioria dos materiais metálicos nessas aplicações.

Nos últimos anos, os materiais de vidro de quartzo têm sido cada vez mais utilizados na área médica e de saúde. Em termos de equipamentos médicos, as hastes de quartzo são utilizadas para fabricar componentes de transmissão óptica de endoscópios, elementos guiadores de luz de instrumentos cirúrgicos a laser, etc. Sua excelente biocompatibilidade garante que esses instrumentos possam ser utilizados com segurança no tratamento humano.

Em equipamentos de desinfecção ultravioleta, bastões de vidro de quartzo de alta transmitância são usados ​​como materiais de lâmpada para maximizar a eficiência da esterilização. Além disso, em alguns instrumentos de testes médicos de precisão, os elementos ópticos de quartzo garantem a precisão dos resultados dos testes.

A demanda por hastes de vidro de quartzo no campo da investigação científica e da experimentação também é forte. Em experimentos de física de alta energia, hastes de quartzo são usadas como componentes importantes dos detectores de radiação Cherenkov. Na pesquisa em ciência de materiais, cadinhos de quartzo e vasos de reação fornecem um ambiente ideal para síntese de materiais em alta temperatura.

No campo da ciência espacial, a resistência à radiação do vidro de quartzo torna-o o material preferido para sistemas ópticos de naves espaciais. Essas aplicações de pesquisa científica de ponta geralmente apresentam requisitos extremos para as propriedades do material, e as hastes de vidro de quartzo sempre podem executar a tarefa de maneira excelente.