O que é um tubo de vidro de quartzo?

Tubo de vidro de quartzo é um material de vidro especial feito de matéria-prima de sílica de altíssima pureza, que é derretido em alta temperatura e depois processado com precisão. Com seu excelente desempenho abrangente, desempenha um papel insubstituível em campos de alta tecnologia, como semicondutores, optoeletrônica, novas energias e instrumentos de pesquisa científica.

A característica mais proeminente deste material é sua excelente resistência a altas temperaturas, que pode suportar ambientes de temperaturas extremas sem deformação ou rachaduras, e sua excelente resistência ao choque térmico, que pode se adaptar a rápidas mudanças de temperatura. Em termos de óptica, os tubos de vidro de quartzo têm transmitância de luz extremamente alta e são adequados para uma ampla gama de espectros, do ultravioleta ao infravermelho. Além disso, também exibe estabilidade química extremamente forte, pode resistir à maioria dos ácidos fortes e à corrosão em altas temperaturas e garante um uso estável a longo prazo em ambientes agressivos.

Os tubos de vidro de quartzo também possuem excelentes propriedades de isolamento elétrico e resistência mecânica, tornando-os ideais para dispositivos eletrônicos e ópticos de precisão. A tecnologia de fabricação moderna pode produzir tubos de quartzo de grande porte e alta pureza e ajustar seu desempenho por meio de processos especiais para atender às necessidades de diferentes cenários de aplicação. Quer se trate de fabricação de semicondutores, comunicações de fibra óptica ou equipamentos de pesquisa científica de ponta, tubos de vidro de quartzo desempenhar um papel fundamental e promover o desenvolvimento de tecnologia de ponta.

1. Propriedades dos materiais
Propriedades químicas
A excelente estabilidade química dos tubos de vidro de quartzo vem de sua composição e estrutura de material especial. Este material de sílica de alta pureza exibe uma inércia química quase perfeita e dificilmente reage com outras substâncias à temperatura ambiente. Possui forte resistência à maioria dos ácidos inorgânicos e solventes orgânicos, incluindo ácidos fortes como ácido sulfúrico concentrado, ácido nítrico e ácido clorídrico, bem como compostos orgânicos como álcoois e cetonas. Mesmo sob condições de alta temperatura, os tubos de vidro de quartzo podem manter esta propriedade química estável, o que os torna um material de recipiente ideal para o manuseio de substâncias corrosivas.

Os tubos de vidro de quartzo têm fraca resistência ao ácido fluorídrico e ao ácido fosfórico quente porque essas substâncias podem reagir especificamente com a sílica. Da mesma forma, os tubos de vidro de quartzo também são suscetíveis à corrosão em ambientes alcalinos fortes e de alta temperatura. Em aplicações práticas, atenção especial deve ser dada para evitar o contato com estes ambientes químicos específicos. É essa estabilidade química única que torna os tubos de vidro de quartzo amplamente utilizados em áreas como fabricação de semicondutores e produção química que exigem pureza de material extremamente alta.

Propriedades térmicas
Tubo de vidro de quartzos pode suportar continuamente ambientes de temperatura ultra-alta que os materiais metálicos comuns não conseguem suportar. Esta excelente resistência ao calor vem de sua estrutura atômica especial. Mesmo sob condições de temperatura extremamente altas, os tubos de vidro de quartzo podem manter a integridade estrutural sem amolecimento e deformação. Ainda mais surpreendente é que dificilmente muda de tamanho quando sofre mudanças drásticas de temperatura, o que é extremamente raro na ciência dos materiais.

Esta estabilidade térmica exclusiva torna os tubos de vidro de quartzo a escolha ideal para ambientes com temperaturas extremas. Ele pode sofrer repetidamente um resfriamento rápido desde temperaturas ultra-altas até a temperatura ambiente sem rachar ou quebrar, o que é importante em processos industriais que exigem ciclos térmicos frequentes. Ao mesmo tempo, a condutividade térmica relativamente baixa dos tubos de vidro de quartzo torna-os um excelente material de isolamento térmico que pode bloquear eficazmente a radiação e a condução de fontes de calor de alta temperatura.

Propriedades ópticas
Os tubos de vidro de quartzo apresentam vantagens incomparáveis ​​nas propriedades ópticas. Possui uma faixa de transmitância espectral extremamente ampla e pode transmitir com eficiência ondas eletromagnéticas do ultravioleta profundo até regiões do infravermelho próximo. Esta excelente propriedade óptica o torna um componente essencial dos sistemas ópticos de precisão. De acordo com os diferentes requisitos de aplicação, as propriedades ópticas dos tubos de vidro de quartzo também podem ser ajustadas de maneira direcionada.

Através de processamento especial, podem ser fabricados tubos de vidro de quartzo com propriedades ópticas específicas. Por exemplo, os tubos de quartzo leitoso conseguem uma dispersão uniforme da luz através de estruturas internas de microbolhas, que são adequadas para ocasiões que requerem iluminação suave; adicionar elementos específicos pode produzir tubos de quartzo coloridos com características seletivas de transmissão de luz para dispositivos especiais de filtragem óptica. Essas propriedades ópticas ajustáveis ​​expandem muito a faixa de aplicação dos tubos de vidro de quartzo.

Propriedades mecânicas e elétricas
Embora tubos de vidro de quartzo possuem alta dureza e resistência, suas características frágeis requerem atenção especial. Este material é propenso a fissuras quando submetido a impactos ou tensões locais, por isso é necessário cuidado especial durante o manuseio, instalação e uso. Através da tecnologia de tratamento de superfície fina, os tubos de vidro de quartzo podem obter um acabamento superficial extremamente alto para atender aos mais rigorosos requisitos de aplicação óptica.

Em termos de propriedades elétricas, os tubos de vidro de quartzo apresentam excelentes propriedades de isolamento. Mesmo em altas temperaturas, ainda pode manter boas propriedades dielétricas sem alterações significativas na condutividade. Esta propriedade de isolamento estável o torna um material isolante ideal para equipamentos elétricos de alta tensão e componentes eletrônicos. Ao mesmo tempo, os tubos de vidro de quartzo também possuem excelente resistência ao arco e podem ser usados ​​com segurança em ambientes de forte campo elétrico.

Características de superfície e processamento
As características de superfície e processamento de tubos de vidro de quartzo permitem-lhes atender às necessidades de diversas aplicações de precisão. Sua superfície natural possui um alto grau de acabamento e, após polimento de precisão, pode atingir um nivelamento quase perfeito, atendendo aos rigorosos requisitos de componentes ópticos de nível laser. A superfície dos tubos de vidro de quartzo pode ser revestida com uma variedade de revestimentos especiais, como revestimentos anti-reflexo que podem aumentar significativamente a transmitância e revestimentos condutores que podem conferir propriedades condutoras.

Em termos de tecnologia de processamento, o processamento a quente de tubos de vidro de quartzo requer temperaturas extremamente altas e, geralmente, equipamentos especiais de chama de hidrogênio-oxigênio são usados ​​para realizar soldagem ou conformação a quente; enquanto o processamento a frio requer ferramentas diamantadas para corte e perfuração, e polimento com chama das bordas após o processamento para evitar que microfissuras se expandam e afetem a resistência do material.

2. Processo de fabricação
O processo de fabricação do tubo de vidro de quartzo é um processo altamente sofisticado que exige rigoroso controle de qualidade para garantir que o produto final tenha excelente desempenho. Os atuais métodos de fabricação convencionais incluem trefilação por fusão e moldagem por processamento, e cada processo é projetado para diferentes requisitos do produto.

Processo de produção de desenho por fusão
Como tecnologia central da produção contínua, o método de trefilação por fusão possui um fluxo de processo muito preciso. No início da produção, as matérias-primas selecionadas de areia de quartzo de alta pureza são alimentadas em um forno especial de alta temperatura. Este forno utiliza um método de aquecimento especial para produzir um ambiente de temperatura ultra-alta suficiente para derreter completamente o quartzo. Durante o processo de fusão, as matérias-primas passam por um rigoroso estágio de purificação, e vestígios de impurezas e bolhas são removidos por meio de volatilização em alta temperatura e reações químicas.

O líquido do vidro de quartzo fundido entra na área de moldagem, onde um sistema de molde preciso molda o vidro líquido em uma estrutura tubular. O projeto e a fabricação do molde exigem precisão extremamente alta e sua tolerância dimensional é controlada dentro de uma faixa muito pequena.

Durante o processo de trefilação, o gradiente de temperatura controlado com precisão garante que o líquido do vidro mantenha a melhor viscosidade e fluidez durante a moldagem. Ao mesmo tempo, o sistema de tração controlado por computador estica o tubo de vidro a uma velocidade constante, e essa velocidade precisa ser perfeitamente combinada com a taxa de resfriamento do líquido de vidro para garantir a uniformidade da espessura da parede do tubo.

Depois de formado, o tubo de vidro de quartzo entra no processo de recozimento, etapa fundamental para garantir a qualidade do produto. O forno de recozimento adota um design de controle de temperatura por zonas para permitir que o tubo de vidro esfrie lentamente de acordo com a curva de temperatura predefinida. Este processo pode efetivamente eliminar a tensão residual dentro do vidro e evitar rachaduras ou deformações do produto durante o processamento ou uso subsequente. O produto recozido também precisa passar por rigorosa inspeção de qualidade, incluindo medição dimensional, análise de tensão e testes de desempenho óptico.

Processo de produção de moldagem de processamento
O método de moldagem por processamento é usado principalmente na produção de produtos de vidro de quartzo com formato especial e suas características de processo se concentram mais na flexibilidade e precisão. O processo utiliza materiais de vidro de quartzo pré-fabricados de alta qualidade como matéria-prima, que foram rigorosamente selecionados e pré-tratados.

Durante o processamento, o operador utiliza equipamento de processamento térmico especialmente projetado para aquecer localmente o vidro de quartzo. A temperatura de aquecimento precisa ser controlada com precisão para obter amolecimento suficiente para a moldagem e evitar aquecimento excessivo que danificará as propriedades do material. Técnicos experientes avaliarão o melhor momento para processar observando o estado de fluxo viscoso do vidro.

Para produtos com formatos complexos, como tubos com vários cotovelos ou conectores de formato especial, geralmente são necessários moldes especiais para completar a moldagem. O material do molde deve ser capaz de suportar a temperatura de processamento do vidro de quartzo, garantindo ao mesmo tempo a suavidade da superfície de moldagem. Em algumas ocasiões de alta precisão, equipamentos de usinagem CNC auxiliados por computador também são usados ​​para obter um controle de moldagem mais preciso.

Os produtos após processamento e moldagem também precisam passar por recozimento fino. Ao contrário do método de trefilação por fusão, o processo de recozimento desses produtos com formatos especiais geralmente requer curvas de temperatura personalizadas para lidar com as necessidades de alívio de tensão de peças de diferentes espessuras. Finalmente, cada produto deve passar por rigorosa inspeção de aparência, medição dimensional e testes de desempenho para garantir que atenda aos requisitos de uso.

O sistema de controle de qualidade de ambos os processos inclui múltiplos links, como inspeção de matérias-primas, monitoramento de processos e inspeção de produtos acabados. A moderna linha de produção também está equipada com um sistema de monitoramento online para monitorar os principais parâmetros do processo em tempo real para garantir a estabilidade do processo de produção e a consistência do desempenho do produto.

Através desses processos de fabricação precisos, os tubos de vidro de quartzo podem atender aos rigorosos requisitos de desempenho de materiais em campos de ponta, como semicondutores e óptica.

3. Classificação principal
Tubo de quartzo transparente
Por ser o tipo mais básico, o excelente desempenho do transparente tubo de vidro de quartzo vem do processo de fabricação estritamente controlado. Este tipo de tubo utiliza areia de quartzo de altíssima pureza como matéria-prima e é removido por um processo especial de fundição para formar uma estrutura amorfa altamente homogênea. Sua microestrutura é densa e uniforme, e quase não há centros de dispersão de luz, por isso possui excelente transmitância óptica. Ele pode manter uma transmitância estável em um amplo espectro, do ultravioleta profundo ao infravermelho próximo, o que o torna um material ideal para sistemas ópticos.

Na indústria de semicondutores, os tubos de quartzo transparentes são amplamente utilizados como componentes principais, como tubos de fornos de difusão e tubos de reação epitaxiais, devido à sua inércia química e estabilidade térmica. No campo da iluminação, é utilizado para fabricar cavidades emissoras de luz de fontes de luz especiais, como lâmpadas de descarga de gás de alta pressão e lâmpadas germicidas ultravioleta. É frequentemente usado como um componente óptico chave, como janelas ópticas e células de amostra em instrumentos de pesquisa científica. Também é comumente usado em equipamentos médicos como componente de transmissão óptica de instrumentos como endoscópios.

Tubo de quartzo oval
A aparência especial do tubo de quartzo opala vem da rede de bolhas submicrométricas distribuídas uniformemente em seu interior. Essas bolhas são formadas controlando com precisão os parâmetros do processo durante o processo de fusão, e seu tamanho e densidade de distribuição afetam diretamente as propriedades ópticas do tubo. A estrutura da bolha não só produz um efeito suave de dispersão de luz, mas também reduz significativamente a condutividade térmica do material, fazendo com que tenha boas propriedades de isolamento térmico.

No campo do aquecimento infravermelho, os tubos de quartzo opalescentes podem dispersar uniformemente a radiação térmica e evitar o superaquecimento local. É frequentemente usado como tubo de proteção de elemento de aquecimento em equipamentos de processamento de alimentos, o que pode garantir a eficiência do aquecimento e evitar a queima de alimentos. Em dispositivos de iluminação especiais, é usado para criar uma fonte de luz de superfície uniforme e sem brilho. Alguns instrumentos analíticos também usam tubos de quartzo opalescentes como câmaras de amostra para obter um caminho de luz de detecção uniforme.

Tubos de quartzo coloridos
Os requisitos do processo de fabricação de tubos de quartzo coloridos são extremamente altos e é necessário obter efeitos de coloração estáveis, mantendo as propriedades básicas do vidro de quartzo. O processo de coloração geralmente usa um método de fusão em alta temperatura para incorporar uniformemente óxidos metálicos específicos na matriz de quartzo. Diferentes corantes produzirão espectros de absorção característicos, como elementos de cobalto que produzem azul, elementos de manganês que produzem roxo, etc.

Esses tubos coloridos não são apenas decorativos, mas, mais importante ainda, possuem propriedades de filtragem seletiva. Em sistemas de iluminação de palco, os tubos de quartzo coloridos podem produzir diretamente luz colorida específica. Em dispositivos experimentais ópticos, pode ser usado como elemento filtrante para comprimentos de onda específicos. Alguns equipamentos de detecção industrial também utilizam suas propriedades de filtragem para análise espectral. Tubos coloridos especialmente formulados também podem proteger a radiação prejudicial e são usados ​​em dispositivos de proteção.

Tubos de quartzo com formato especial
A fabricação de tubos de quartzo com formato especial demonstra totalmente a flexibilidade da tecnologia de processamento de vidro de quartzo. De acordo com os requisitos da aplicação, ele pode ser fabricado em várias formas geométricas complexas, incluindo curvas multiangulares, tubos de três vias em forma de T, tubos de conexão redutores, etc. Essas formas especiais geralmente requerem uma combinação de múltiplas tecnologias de processamento, como dobra a quente, soldagem de precisão e usinagem.

Em equipamentos semicondutores, tubos de quartzo de formato especial são usados ​​para construir sistemas complexos de fornecimento de gás. Na produção química, os tubos de quartzo com formato especial podem atender aos exigentes requisitos do processo. Dispositivos experimentais de pesquisa científica geralmente exigem sistemas de tubulação de quartzo personalizados. Alguns equipamentos médicos também usam tubos de quartzo de formato especial como componentes funcionais essenciais.

Tubos com baixo teor de hidroxila
A fabricação de tubos de quartzo com baixo teor de hidroxila requer controle de processo especial. O teor de hidroxila no material pode ser reduzido significativamente otimizando a atmosfera de fusão, usando tecnologia de desgaseificação a vácuo e usando matérias-primas de alta pureza. Tecnologias mais avançadas também incluem processos especiais, como o tratamento subsequente com plasma.

No campo da tecnologia laser, os tubos de baixa hidroxila reduzem bastante as perdas de absorção infravermelha e são os principais componentes dos lasers de alta potência. Em sistemas ópticos de precisão, pode reduzir a distorção óptica causada por grupos hidroxila. Alguns equipamentos especiais de fonte de luz também requerem tubos com baixo teor de hidroxila para garantir a pureza espectral. No campo das comunicações por fibra óptica, é utilizado como material pré-formado para fibras ópticas de baixa perda.

4. Principais áreas de aplicação
No campo da tecnologia optoeletrônica, tubos de vidro de quartzo desempenhar um papel insubstituível. Como componente central de fontes de luz especiais, é amplamente utilizado na fabricação de lâmpadas de descarga de gás de alta intensidade, incluindo lâmpadas de iodetos metálicos, lâmpadas de sódio de alta pressão, etc. Esses equipamentos de iluminação podem atingir uma temperatura interna de milhares de graus Celsius durante o trabalho, acompanhados por forte radiação ultravioleta.

Os tubos de vidro de quartzo são perfeitamente qualificados com sua resistência a altas temperaturas e propriedades anti-ultravioleta. Na aplicação da tecnologia ultravioleta, os tubos de vidro de quartzo são o material preferido para a fabricação de lâmpadas de esterilização UV, lâmpadas de cura ultravioleta e outros equipamentos. Sua excelente transmitância ultravioleta garante efeitos de esterilização e cura.

O campo das comunicações por fibra óptica é inseparável dos tubos de vidro de quartzo. Como material de base da pré-forma de fibra óptica, o tubo de quartzo de alta pureza passa por um complexo processo de deposição e trefilação para eventualmente formar uma fibra óptica que transmite sinais ópticos. Na tecnologia laser, tubos de vidro de quartzo especialmente tratados são usados ​​para fabricar componentes-chave, como a cavidade ressonante do laser e a janela de saída. Sua excelente uniformidade óptica e estabilidade térmica garantem a qualidade e estabilidade da saída do laser.

A fabricação de semicondutores é altamente dependente de tubos de vidro de quartzo. Os tubos de vidro de quartzo desempenham um papel importante em muitos elos importantes na produção de chips. No processo de crescimento do silício monocristalino, cadinhos de quartzo de alta pureza e componentes de campo térmico garantem um ambiente puro para o crescimento do cristal. Em processos de alta temperatura, como difusão e oxidação, os tubos de vidro de quartzo são usados ​​como cavidades de processo e tubulações de distribuição de gás para suportar gases corrosivos e temperaturas extremas.

Em equipamentos de processamento de wafer, tubos de vidro de quartzo são transformados em componentes-chave, como transportadores de wafer e distribuidores de gás de vários formatos. A indústria fotovoltaica também utiliza um grande número de tubos de vidro de quartzo, especialmente em lingotes de silício policristalino e equipamentos de crescimento de silício monocristalino. A pureza dos tubos de quartzo afeta diretamente a eficiência de conversão das células solares. Com o avanço contínuo dos nós de processo de semicondutores, os requisitos de pureza e planicidade dos tubos de vidro de quartzo estão se tornando cada vez mais elevados.

A indústria química aproveita ao máximo a excelente estabilidade química dos tubos de vidro de quartzo. No processo de tratamento de meios corrosivos, como ácidos fortes e álcalis fortes, reatores de vidro de quartzo, trocadores de calor e outros equipamentos apresentam excelente resistência à corrosão. No laboratório, os tubos de vidro de quartzo são transformados em vários dispositivos experimentais de precisão, como células de amostra de análise espectral, tubos de reação de alta temperatura, etc., e sua inércia química garante a precisão dos dados experimentais.

No campo dos testes analíticos, cubetas de quartzo, prismas ópticos e outros componentes garantem a precisão da medição espectral. As instituições de pesquisa científica costumam usar tubos de vidro de quartzo para construir dispositivos experimentais especiais, como janelas de observação de alta temperatura, componentes de sistemas de vácuo, etc., para atender às necessidades experimentais sob condições extremas. A aplicação de tubos de vidro de quartzo nesses campos expandiu enormemente as possibilidades de pesquisas e experimentos químicos.

No campo do aquecimento industrial, tubos de vidro de quartzo são amplamente utilizados como tubos de radiação e mangas protetoras para aquecedores infravermelhos. Sua resistência a altas temperaturas permite que equipamentos de aquecimento funcionem de forma estável e por muito tempo em ambientes agressivos. Em equipamentos de esterilização médica, os recipientes de esterilização feitos de tubos de vidro de quartzo podem suportar esterilizações repetidas com vapor de alta temperatura e alta pressão.

Os principais componentes, como janelas de observação e coberturas de proteção de sensores de aeronaves e espaçonaves, são feitos de tubos especiais de vidro de quartzo para garantir confiabilidade em ambientes extremos. A indústria de processamento de alimentos utiliza as propriedades seguras e não tóxicas dos tubos de vidro de quartzo para aplicá-los em dispositivos de aquecimento que entram em contato direto com os alimentos, como tubos de aquecimento para equipamentos de panificação.