Cuarzo fundido

cuarzo fundido, sílice fundida o vidrio de cuarzo es un vidrio formado por sílice casi pura (dióxido de silicio, SiO₂) en forma amorfa (no cristalina). Esto se diferencia de todos los demás vasos comerciales en los que se añaden otros ingredientes que cambian el aspecto del vaso. propiedades ópticas y físicas, como la reducción de la temperatura de fusión. Por lo tanto, el cuarzo fundido tiene altas temperaturas de trabajo y de fusión, lo que lo hace menos deseable para las aplicaciones más comunes.

Los términos cuarzo fundido y sílice fundida se usan indistintamente, pero pueden referirse a diferentes técnicas de fabricación, como se indica a continuación, lo que da lugar a diferentes trazas de impurezas. Sin embargo, el cuarzo fundido, al estar en estado vítreo, tiene propiedades físicas bastante diferentes en comparación con el cuarzo cristalino. Debido a sus propiedades físicas, encuentra usos especializados en la fabricación de semiconductores y equipos de laboratorio, por ejemplo.

En comparación con otros vidrios comunes, la transmisión óptica del sílice puro se extiende hasta las longitudes de onda ultravioleta e infrarroja, por lo que se utiliza para fabricar lentes y otras ópticas para estas longitudes de onda. Dependiendo de los procesos de fabricación, las impurezas restringirán la transmisión óptica, lo que dará como resultado grados comerciales de cuarzo fundido optimizados para su uso en el infrarrojo o (entonces más a menudo denominado sílice fundida) en el ultravioleta. El bajo coeficiente de expansión térmica del cuarzo fundido lo convierte en un material útil para sustratos de espejos de precisión.

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El cuarzo fundido se produce fusionando (fundiendo) arena de sílice de alta pureza, que consta de cristales de cuarzo. Hay cuatro tipos básicos de vidrio de sílice comercial:

• Tipo I se produce por inducción fundiendo cuarzo natural en un vacío o un ambiente inerte.
• El tipo II es producido por polvo de cristal de cuarzo en una llama de alta temperatura.
• El tipo III se produce quemando SiCl4 en una llama hidrógeno-oxigeno.
• Tipo IV es producido por la quema de SiCl₄ en una llama de plasma libre de vapor de agua.

El cuarzo contiene sólo silicio y oxígeno, aunque el vidrio de cuarzo comercial a menudo contiene impurezas. Dos impurezas dominantes son el aluminio y el titanio, que afectan la transmisión óptica en longitudes de onda ultravioleta. Si hay agua presente en el proceso de fabricación, se pueden incrustar grupos hidroxilo (OH), lo que reduce la transmisión en el infrarrojo.

Fusión

La fusión se realiza a aproximadamente 2200 °C (4000 °F) utilizando un horno calentado eléctricamente (con fusión eléctrica) o un horno alimentado con gas/oxígeno (con fusión a llama). La sílice fundida se puede fabricar a partir de casi cualquier precursor químico rico en silicio, normalmente mediante un proceso continuo que implica la oxidación por llama de compuestos de silicio volátiles a dióxido de silicio y la fusión térmica del polvo resultante (aunque se utilizan procesos alternativos). Esto da como resultado un vidrio transparente con una pureza ultraalta y una transmisión óptica mejorada en el ultravioleta profundo. Un método común consiste en agregar tetracloruro de silicio a una llama de hidrógeno y oxígeno.

Calidad del producto

El cuarzo fundido normalmente es transparente. Sin embargo, el material puede volverse translúcido si se permiten pequeñas burbujas de aire atrapadas en su interior. El contenido de agua (y por tanto la transmisión infrarroja) del cuarzo fundido está determinado por el proceso de fabricación. El material fundido con llama siempre tiene un mayor contenido de agua debido a la combinación de hidrocarburos y oxígeno que alimentan el horno, formando grupos hidroxilo [OH] dentro del material. Un material de grado IR normalmente tiene un contenido de [OH] inferior a 10 ppm.

Aplicaciones

Muchas aplicaciones ópticas del cuarzo fundido aprovechan su amplio rango de transparencia, que puede extenderse hasta el ultravioleta y el infrarrojo medio cercano. El cuarzo fundido es el material de partida clave para la fibra óptica, utilizada en telecomunicaciones.

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 una temperatura envolvente alta para lograr su combinación de alto brillo. y larga vida. Algunos tubos de vacío de alta potencia utilizaban envolturas de sílice cuya buena transmisión en longitudes de onda infrarrojas facilitaba el enfriamiento por radiación de sus ánodos incandescentes.

Debido a su resistencia física, el cuarzo fundido se utilizó en embarcaciones de buceo profundo, como la batisfera y el bentoscopio, y en las ventanas de naves espaciales tripuladas, incluidos el transbordador espacial y la Estación Espacial Internacional. El cuarzo fundido también se utilizó en el desarrollo de armaduras compuestas.

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

Su transparencia UV también se utiliza como ventanas en EPROM (memoria de sólo lectura programable y borrable), un tipo de chip de memoria no volátil que se borra mediante la exposición a una fuerte luz ultravioleta. Las EPROM son reconocibles por la ventana transparente de cuarzo fundido (aunque algunos modelos posteriores usan resina transparente a los rayos UV) que se encuentra en la parte superior del paquete, a través de la cual se ve el chip de silicio y que transmite luz ultravioleta para borrarlo.

Debido a su estabilidad térmica y composición, se utiliza en el almacenamiento de datos ópticos 5D y en hornos de fabricación de semiconductores.

El cuarzo fundido tiene propiedades casi ideales para fabricar espejos de primera superficie, como los que se utilizan en los telescopios. El material se comporta de forma 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 alta pureza de cuarzo fundido para fabricar varios de los elementos individuales sin recubrimiento de lentes para fines especiales, incluido el Zeiss 105 mm f/4.3 UV Sonnar, un lente fabricado anteriormente para la cámara Hasselblad. y el objetivo Nikon UV-Nikkor 105 mm f/4,5 (actualmente vendido como Nikon PF10545MF-UV). Estas lentes se utilizan para fotografía UV, ya que el vidrio de cuarzo puede ser transparente en longitudes de onda mucho más cortas que las lentes fabricadas con fórmulas más comunes de vidrio de pedernal o corona.

El cuarzo fundido se puede metalizar y grabar para usarlo como sustrato en 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 alúmina permite pistas de mayor impedancia o sustratos más delgados.

Aplicaciones de materiales refractarios

El cuarzo fundido como materia prima industrial se utiliza para fabricar diversas formas refractarias, como crisoles, bandejas, cubiertas y rodillos para muchos procesos térmicos de alta temperatura, incluida la fabricación de acero, fundición a la cera perdida y fabricación de vidrio. Las formas refractarias hechas de cuarzo fundido tienen una excelente resistencia al choque térmico y son químicamente inertes a la mayoría de los elementos y compuestos, incluidos prácticamente todos los ácidos, independientemente de su concentración, excepto el ácido fluorhídrico, que es muy reactivo incluso en concentraciones bastante bajas. Los tubos translúcidos de cuarzo fundido se utilizan comúnmente para revestir elementos eléctricos en calentadores de habitaciones, hornos industriales y otras aplicaciones similares.

Debido a su baja amortiguación mecánica a temperaturas normales, se utiliza para resonadores de alta Q, en particular, para resonadores de copa de vino o resonadores giroscópicos hemisféricos. Por la misma razón, el cuarzo fundido es también el material utilizado para los instrumentos de vidrio modernos, como el arpa de vidrio y el verrófono, y también se utiliza para las nuevas construcciones de la histórica armónica de vidrio, dando a estos instrumentos un mayor rango dinámico y un sonido más claro que con el cristal de plomo utilizado históricamente.

La cristalería de cuarzo se utiliza ocasionalmente en laboratorios de química cuando el vidrio de borosilicato estándar no puede soportar altas temperaturas o cuando se requiere una alta transmisión de rayos UV. El coste de producción es significativamente mayor, lo que limita su uso; Generalmente se encuentra como un solo elemento básico, como un tubo en un horno, o como un matraz, elementos en exposición directa al calor.

Propiedades del cuarzo fundido

El coeficiente extremadamente bajo de expansión térmica, aproximadamente 5,5×10⁻⁷/K (20–320 °C), explica su notable capacidad para sufrir cambios de temperatura grandes y rápidos sin agrietarse (ver choque térmico).

El cuarzo fundido es propenso a la fosforescencia y la "solarización" (decoloración violácea) bajo intensa iluminación ultravioleta, como se ve a menudo en los tubos de flash. "grado UV" La sílice fundida sintética (vendida con varios nombres comerciales, incluidos "HPFS", "Spectrosil" y "Suprasil") tiene un contenido de impurezas metálicas muy bajo, lo que la hace transparente en zonas más profundas. ultravioleta. Una óptica con un grosor de 1 cm tiene una transmitancia de alrededor del 50 % a una longitud de onda de 170 nm, que cae a sólo un pequeño porcentaje a 160 nm. Sin embargo, su transmisión infrarroja está limitada por fuertes absorciones de agua a 2,2 μm y 2,7 μm.

"Grado infrarrojo" El cuarzo fundido (nombres comerciales "Infrasil", "Vitreosil IR" y otros), que se fusiona 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 conduce a una excelente transmisión infrarroja de hasta 3,6 μm de longitud de onda. Todos los grados de cuarzo fundido/sílice fundido transparente tienen propiedades mecánicas casi idénticas.

Índice de refracción

La dispersión óptica del cuarzo fundido se puede aproximar mediante la siguiente ecuación de Sellmeier:

ε ε =n2=1+0,961663λ λ 2λ λ 2− − 0,06840432+0.4079426λ λ 2λ λ 2− − 0.11624142+0.8974794λ λ 2λ λ 2− − 9.8961612,{displaystyle varepsilon =n^{2}=1+{frac {0.6961663lambda ^{2}{lambda ^{2}-0.0684043^{2}}+{frac {0.4079426lambda ^{2}{lambda ^{2}-0.1162414^{2}}+{frac {0.8974794lambda ^{2}{lambda ^{2}-9.896161^{2}}}}

donde la longitud de onda λ λ {displaystyle lambda } se mide en micrometros. Esta ecuación es válida entre 0.21 y 3.71 μm y a 20 °C. Su validez fue confirmada para longitudes de onda hasta 6.7 μm. Los datos experimentales para las partes reales (índice refractivo) e imaginarios (índice de absorción) del complejo índice refractivo de cuarzo fundido reportado en la literatura sobre el rango espectral de 30 nm a 1000 μm han sido revisados por Kitamura et al. y están disponibles en línea.

Su número Abbe bastante alto de 67,8 lo convierte en uno de los vidrios de menor dispersión en longitudes de onda visibles, además de tener un índice de refracción excepcionalmente bajo en el visible (n_d = 1,4585). Tenga en cuenta que el cuarzo fundido tiene un índice de refracción muy diferente y más bajo en comparación con el cuarzo cristalino, que es birrefringente con índices de refracción n_o = 1,5443 y ne = 1,5534 en la misma longitud de onda. Aunque estas formas tienen la misma fórmula química, sus diferentes estructuras dan como resultado diferentes propiedades ópticas y físicas.

Lista de propiedades físicas

• Densidad: 2.203 g/cm³
• Hardness: 5,3-6,5 (escala de Mohs), 8,8 GPa
• Fuerza de tensión: 48.3 MPa
• Resistencia compresiva: 1.1 GPa
• Módulo a granel: ~37 GPa
• Rigidity modulus: 31 GPa
• Módulo Young: 71.7 GPa
• Relación de Poisson: 0.17
• Constantes elásticas de Lamé: λ = 15.87 GPa, μ = 31.26 GPa
• Coeficiente de expansión térmica: 5.5 × 10⁻⁷/K (promedio 20-320 °C)
• Conductividad térmica: 1.3 W/(m·K)
• Capacidad de calor específica: 45.3 J/(mol·K)
• Punto de suavidad: ♥ 1665 °C
• Punto de recogida: ♥ 1140 °C
• Punto de estrado: 1070 °C
• Resistencia eléctrica: √≥ 10¹⁸Ω·m
• constante dieléctrica: 3,75 a 20 °C 1 MHz
• Factor de pérdida dieléctrica: menos de 0,0004 a 20 °C 1 MHz típicamente 6 × 10^{; 5 -} 10 GHz
• Fuerza eléctrica: 250–400 kV/cm a 20 °C
• Susceptibilidad magnética: −11.28 × 10⁻⁶ (SI, 22 °C)
• Hamaker constante: A = 6,5 × 10^{20 - 20} J.
• Tensión superficial: 0,00 N/m a 1800–2400 °C
• Índice de refracción: n_d = 1,4585 (a 587,6 nm)
• Cambio de índice refractivo con temperatura: 1.28 × 10^{; 5 -}/K (20–30 °C)
• Coeficientes escépticos: p₁₁ = 0.113, p₁₂ = 0.252.
• Número de abadía: Vd = 67,82