A fusão é realizada a aproximadamente 2.200 ° C usando um forno aquecido eletricamente (processo de fusão elétrica) ou um forno a gás/oxigênio (processo de fusão por chama). Isso resulta em um vidro transparente com pureza ultra-alta e alta transmissão óptica no ultravioleta profundo. Um método comum envolve a adição de tetracloreto de silício a uma chama de hidrogênio-oxigênio.

O quartzo fundido é normalmente transparente. No entanto, o material pode tornar-se translúcido se pequenas bolhas de ar ficarem presas no seu interior. O teor de água (e, portanto, a transmissão infravermelha) do quartzo fundido é determinado pelo processo de fabricação. O material fundido por chama sempre apresenta maior teor de água devido à combinação de hidrocarbonetos e oxigênio que alimentam o forno, formando grupos [OH] (grupos hidroxila) dentro do material. Um material de grau IR normalmente tem um conteúdo de [OH] inferior a 10 ppm.[7]​.

Contenido

Muchas aplicaciones ópticas del cuarzo fundido explotan su amplio rango de transparencia, que puede extenderse bien en el ultravioleta y en el infrarrojo cercano a medio. El cuarzo fundido es el material de partida clave de la fibra óptica utilizada en los sistemas de telecomunicaciones por cable.

Debido a su resistencia y alto punto de fusión (en comparación con el vidrio ordinario), el cuarzo fundido se utiliza como envoltura para lámparas halógenas y lámparas de descarga de alta intensidad, que deben funcionar a temperaturas elevadas para lograr su combinación de alto brillo y larga vida. Algunas válvulas termoiónicas de alta potencia utilizaron envolturas de sílice cuya buena transmisión en longitudes de onda infrarrojas facilitaba el enfriamiento radiativo de sus ánodos incandescentes.

Debido a su resistencia física, el cuarzo fundido se utilizó en buques de buceo profundo como la batiesfera") y el bentoscopio y en las ventanas de naves espaciales tripuladas, incluidos el Transbordador STS y la Estación Espacial Internacional.[8]​ El cuarzo fundido también se utilizó en el desarrollo de blindajes compuestos.[9]​.

En la industria de semiconductores, su combinación de resistencia, estabilidad térmica y transparencia UV lo convierten en un excelente sustrato para fotolitografía.

Su transparencia UV también se utiliza en las ventanas dispuestas en las memorias EPROM (memoria de solo lectura borrables y programables), un tipo de chips de memoria no volátil que se pueden borrar mediante la exposición a una luz ultravioleta intensa. Las memorias EPROM se reconocen por su ventana de cuarzo fundido transparente (aunque algunos modelos posteriores utilizan resina transparente a los rayos UV) que se encuentra en la parte superior del encapsulado, a través de la cual se puede ver el chip de silicio, y que permite el paso de la radiación ultravioleta para borrar su contenido.[10]​[11]​.

Debido a su estabilidad térmica y composición, se utiliza en el conocido como cristal de memoria Superman[12]​ y en hornos de fabricación de semiconductores.[13]​[14]​.

El cuarzo fundido tiene propiedades casi ideales para fabricar soportes de espejos primarios como los que se utilizan en los telescopios. El material se comporta de una manera predecible y permite al fabricante óptico aplicar un pulido muy suave a la superficie y producir la figura deseada con menos iteraciones de prueba. En algunos casos, se ha utilizado un grado UV de cuarzo fundido de alta pureza para fabricar varios de los elementos de lente individuales sin revestimiento para propósitos especiales, incluidos la lente Zeiss 105 mm f/4.3 UV Sonnar, fabricada anteriormente para la cámara Hasselblad, y la Nikon UV-Nikkor 105 mm f/4.5 (actualmente vendida como Nikon PF10545MF-UV). Estas lentes se utilizan para fotografía UV, ya que el vidrio de cuarzo puede ser transparente a longitudes de onda mucho más cortas que las lentes fabricadas con fórmulas de vidrio flint o crown más comunes.

El cuarzo fundido se puede metalizar y grabar para su uso como sustrato para circuitos de microondas de alta precisión. Su estabilidad térmica lo convierte en una buena opción para filtros de banda estrecha y aplicaciones exigentes similares. La constante dieléctrica más baja que la de la alúmina permite pistas de mayor impedancia o sustratos más delgados.

Aplicações como material refratário

O quartzo fundido como matéria-prima industrial é usado para fabricar vários formatos refratários, como cadinhos, bandejas, tampas e rolos para muitos processos térmicos de alta temperatura, incluindo fabricação de aço, fundição de precisão) e fabricação de vidro. Os formatos refratários feitos de quartzo fundido têm excelente resistência ao choque térmico e são quimicamente inertes à maioria dos elementos e compostos, incluindo praticamente todos os ácidos, independentemente da concentração, exceto o ácido fluorídrico, que é muito reativo mesmo em concentrações bastante altas. usado para revestir 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 alta qualidade, em particular para giroscópios de estrutura vibratória hemisférica. Pela mesma razão, o quartzo fundido também é o material usado em instrumentos musicais de vidro modernos, como o glassphone e copos musicais, e também é usado para reconstruções de gaitas de vidro históricas, dando a esses instrumentos uma faixa dinâmica maior e um som mais claro do que o vidro de chumbo usado originalmente.

A vidraria de quartzo é ocasionalmente usada em laboratórios de química quando o vidro borossilicato padrão não suporta altas temperaturas ou quando é necessária alta transmissão de UV. O custo de produção é significativamente mais elevado, o que limita a sua utilização. Geralmente é encontrado como um único elemento básico, como um tubo em uma fornalha, ou como um frasco, partes diretamente expostas ao calor.

Su coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo, de alrededor de (20?320 °C), explica su notable capacidad para soportar grandes y rápidos cambios de temperatura sin agrietarse (véase colapso térmico).

El cuarzo fundido es propenso a presentar fosforescencia y "solarización" (decoloración violácea) bajo una intensa iluminación ultravioleta, como suele observarse en los tubos de flash. La sílice fundida sintética de "grado UV" (que se vende bajo varios nombres comerciales, incluidos "HPFS", "Spectrosil" y "Suprasil") tiene un contenido de impurezas metálicas muy bajo, lo que la hace transparente en el rango del ultravioleta profundo. Una óptica con un espesor de 1 cm tiene una transmitancia de alrededor del 50 % a una longitud de onda de 170 nm, que se reduce a solo un pequeño porcentaje a 160 nm. Sin embargo, su transmisión infrarroja está limitada por la fuerte absorción de agua a 2,2 µm y 2,7 µm.

El cuarzo fundido de "grado infrarrojo" (nombres comerciales "Infrasil", "Vitreosil IR" y otros), que se funde eléctricamente, tiene una mayor presencia de impurezas metálicas, lo que limita su longitud de onda de transmitancia UV a alrededor de 250 nm, pero un contenido de agua mucho menor, lo que lleva a una excelente transmisión infrarroja de hasta 3,6 µm de longitud de onda. Todos los grados de cuarzo fundido/sílice fundida transparentes tienen propiedades mecánicas casi idénticas.

índice de refração

A dispersão óptica do quartzo fundido pode ser aproximada pela equação de Sellmeier:[17]​.

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. al.*[4]​ e estão disponíveis online.

Seu número Abbe bastante alto de 67,8 o torna um dos vidros com menor dispersão em comprimentos de onda visíveis, além de possuir um índice de refração excepcionalmente baixo na faixa visível (n = 1,4585). Observe que o quartzo fundido tem um índice de refração diferente e menor em comparação ao quartzo cristalino, que apresenta birrefringência com índices de refração n = 1,5443 e n = 1,5534 no mesmo comprimento de onda. Embora estas formas tenham a mesma fórmula química, as suas diferentes estruturas resultam em diferentes propriedades ópticas e físicas.

A fusão é realizada a aproximadamente 2.200 ° C usando um forno aquecido eletricamente (processo de fusão elétrica) ou um forno a gás/oxigênio (processo de fusão por chama). Isso resulta em um vidro transparente com pureza ultra-alta e alta transmissão óptica no ultravioleta profundo. Um método comum envolve a adição de tetracloreto de silício a uma chama de hidrogênio-oxigênio.

O quartzo fundido é normalmente transparente. No entanto, o material pode tornar-se translúcido se pequenas bolhas de ar ficarem presas no seu interior. O teor de água (e, portanto, a transmissão infravermelha) do quartzo fundido é determinado pelo processo de fabricação. O material fundido por chama sempre apresenta maior teor de água devido à combinação de hidrocarbonetos e oxigênio que alimentam o forno, formando grupos [OH] (grupos hidroxila) dentro do material. Um material de grau IR normalmente tem um conteúdo de [OH] inferior a 10 ppm.[7]​.

Contenido

Muchas aplicaciones ópticas del cuarzo fundido explotan su amplio rango de transparencia, que puede extenderse bien en el ultravioleta y en el infrarrojo cercano a medio. El cuarzo fundido es el material de partida clave de la fibra óptica utilizada en los sistemas de telecomunicaciones por cable.

Debido a su resistencia y alto punto de fusión (en comparación con el vidrio ordinario), el cuarzo fundido se utiliza como envoltura para lámparas halógenas y lámparas de descarga de alta intensidad, que deben funcionar a temperaturas elevadas para lograr su combinación de alto brillo y larga vida. Algunas válvulas termoiónicas de alta potencia utilizaron envolturas de sílice cuya buena transmisión en longitudes de onda infrarrojas facilitaba el enfriamiento radiativo de sus ánodos incandescentes.

Debido a su resistencia física, el cuarzo fundido se utilizó en buques de buceo profundo como la batiesfera") y el bentoscopio y en las ventanas de naves espaciales tripuladas, incluidos el Transbordador STS y la Estación Espacial Internacional.[8]​ El cuarzo fundido también se utilizó en el desarrollo de blindajes compuestos.[9]​.

En la industria de semiconductores, su combinación de resistencia, estabilidad térmica y transparencia UV lo convierten en un excelente sustrato para fotolitografía.

Su transparencia UV también se utiliza en las ventanas dispuestas en las memorias EPROM (memoria de solo lectura borrables y programables), un tipo de chips de memoria no volátil que se pueden borrar mediante la exposición a una luz ultravioleta intensa. Las memorias EPROM se reconocen por su ventana de cuarzo fundido transparente (aunque algunos modelos posteriores utilizan resina transparente a los rayos UV) que se encuentra en la parte superior del encapsulado, a través de la cual se puede ver el chip de silicio, y que permite el paso de la radiación ultravioleta para borrar su contenido.[10]​[11]​.

Debido a su estabilidad térmica y composición, se utiliza en el conocido como cristal de memoria Superman[12]​ y en hornos de fabricación de semiconductores.[13]​[14]​.

El cuarzo fundido tiene propiedades casi ideales para fabricar soportes de espejos primarios como los que se utilizan en los telescopios. El material se comporta de una manera predecible y permite al fabricante óptico aplicar un pulido muy suave a la superficie y producir la figura deseada con menos iteraciones de prueba. En algunos casos, se ha utilizado un grado UV de cuarzo fundido de alta pureza para fabricar varios de los elementos de lente individuales sin revestimiento para propósitos especiales, incluidos la lente Zeiss 105 mm f/4.3 UV Sonnar, fabricada anteriormente para la cámara Hasselblad, y la Nikon UV-Nikkor 105 mm f/4.5 (actualmente vendida como Nikon PF10545MF-UV). Estas lentes se utilizan para fotografía UV, ya que el vidrio de cuarzo puede ser transparente a longitudes de onda mucho más cortas que las lentes fabricadas con fórmulas de vidrio flint o crown más comunes.

El cuarzo fundido se puede metalizar y grabar para su uso como sustrato para circuitos de microondas de alta precisión. Su estabilidad térmica lo convierte en una buena opción para filtros de banda estrecha y aplicaciones exigentes similares. La constante dieléctrica más baja que la de la alúmina permite pistas de mayor impedancia o sustratos más delgados.

Aplicações como material refratário

O quartzo fundido como matéria-prima industrial é usado para fabricar vários formatos refratários, como cadinhos, bandejas, tampas e rolos para muitos processos térmicos de alta temperatura, incluindo fabricação de aço, fundição de precisão) e fabricação de vidro. Os formatos refratários feitos de quartzo fundido têm excelente resistência ao choque térmico e são quimicamente inertes à maioria dos elementos e compostos, incluindo praticamente todos os ácidos, independentemente da concentração, exceto o ácido fluorídrico, que é muito reativo mesmo em concentrações bastante altas. usado para revestir 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 alta qualidade, em particular para giroscópios de estrutura vibratória hemisférica. Pela mesma razão, o quartzo fundido também é o material usado em instrumentos musicais de vidro modernos, como o glassphone e copos musicais, e também é usado para reconstruções de gaitas de vidro históricas, dando a esses instrumentos uma faixa dinâmica maior e um som mais claro do que o vidro de chumbo usado originalmente.

A vidraria de quartzo é ocasionalmente usada em laboratórios de química quando o vidro borossilicato padrão não suporta altas temperaturas ou quando é necessária alta transmissão de UV. O custo de produção é significativamente mais elevado, o que limita a sua utilização. Geralmente é encontrado como um único elemento básico, como um tubo em uma fornalha, ou como um frasco, partes diretamente expostas ao calor.

Su coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo, de alrededor de (20?320 °C), explica su notable capacidad para soportar grandes y rápidos cambios de temperatura sin agrietarse (véase colapso térmico).

El cuarzo fundido es propenso a presentar fosforescencia y "solarización" (decoloración violácea) bajo una intensa iluminación ultravioleta, como suele observarse en los tubos de flash. La sílice fundida sintética de "grado UV" (que se vende bajo varios nombres comerciales, incluidos "HPFS", "Spectrosil" y "Suprasil") tiene un contenido de impurezas metálicas muy bajo, lo que la hace transparente en el rango del ultravioleta profundo. Una óptica con un espesor de 1 cm tiene una transmitancia de alrededor del 50 % a una longitud de onda de 170 nm, que se reduce a solo un pequeño porcentaje a 160 nm. Sin embargo, su transmisión infrarroja está limitada por la fuerte absorción de agua a 2,2 µm y 2,7 µm.

El cuarzo fundido de "grado infrarrojo" (nombres comerciales "Infrasil", "Vitreosil IR" y otros), que se funde eléctricamente, tiene una mayor presencia de impurezas metálicas, lo que limita su longitud de onda de transmitancia UV a alrededor de 250 nm, pero un contenido de agua mucho menor, lo que lleva a una excelente transmisión infrarroja de hasta 3,6 µm de longitud de onda. Todos los grados de cuarzo fundido/sílice fundida transparentes tienen propiedades mecánicas casi idénticas.

índice de refração

A dispersão óptica do quartzo fundido pode ser aproximada pela equação de Sellmeier:[17]​.

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. al.*[4]​ e estão disponíveis online.

Seu número Abbe bastante alto de 67,8 o torna um dos vidros com menor dispersão em comprimentos de onda visíveis, além de possuir um índice de refração excepcionalmente baixo na faixa visível (n = 1,4585). Observe que o quartzo fundido tem um índice de refração diferente e menor em comparação ao quartzo cristalino, que apresenta birrefringência com índices de refração n = 1,5443 e n = 1,5534 no mesmo comprimento de onda. Embora estas formas tenham a mesma fórmula química, as suas diferentes estruturas resultam em diferentes propriedades ópticas e físicas.