El rendimiento del vidrio de cuarzo está influenciado principalmente por la calidad de las materias primas y el proceso de fabricación. Si la pureza de las materias primas es insuficiente, el vidrio de cuarzo producido puede exhibir una variedad de defectos, incluyendo burbujas, líneas de aire, impurezas, alto contenido de hidroxilo y cristalización severa. Estos problemas pueden llevar a un rendimiento inferior del vidrio de cuarzo de varias maneras. Si el proceso no se controla estrictamente, los defectos en el grupo hidroxilo, el estrés interno, la raya y la microestructura también reducirán el índice de rendimiento del vidrio de cuarzo.
Impurezas en las materias primas
Metal alcalino
Los metales alcalinos como Li, Na y K tienen una fuerte acción de fundente en la estructura del vidrio de cuarzo fundido, lo que lleva a la desvitrificación y deformación del vidrio de cuarzo en aplicaciones de alta temperatura. En segundo lugar, los metales alcalinos afectarán las propiedades térmicas y ópticas del vidrio de cuarzo, lo que a su vez reduce la vida útil de las fuentes de luz eléctrica y los semiconductores. Además, los metales alcalinos también pueden aumentar el coeficiente dieléctrico y la pérdida dieléctrica del vidrio de cuarzo, afectando las propiedades dieléctricas y la resistencia mecánica del vidrio de cuarzo.
Metales de transición
Los metales de transición, incluyendo Fe, Cr, Mn, Ni y Cu, exhiben una variedad de estados de oxidación, a menudo manifestados en colores específicos. Este fenómeno tiene un impacto significativo en la calidad del vidrio de cuarzo fundido. Por ejemplo, los metales de transición en trazas reducirán la conductividad del vidrio de cuarzo fundido, desempeñando un papel negativo en la fiabilidad y previsibilidad del instrumento. Esto también dará lugar a manchas de color o decoloración a alta temperatura en la superficie del vidrio de cuarzo, afectando así su rendimiento de transmisión de luz.
Elementos Al, B, Ti, etc.
El contenido de Al, B y Ti en el cuarzo está directamente relacionado con la geología del depósito. Estos elementos, cuando están presentes en la red de cuarzo, pueden formar enlaces químicos fuertes, que son las impurezas más desafiantes de eliminar del cuarzo. El contenido excesivo de estos elementos tendrá un impacto significativo en la cristalización del vidrio de cuarzo, resultando en la formación de vidrio de cuarzo duro y quebradizo con resistencia reducida.
Impurezas de inclusiones
El cuarzo natural generalmente contiene inclusiones minerales. Debido al tamaño de partícula diminuto y al cierre hermético de las inclusiones dentro del cuarzo, es difícil eliminar las inclusiones minerales y las inclusiones fundidas mediante el método de selección y fundición sin dañar el cristal de cuarzo en sí. Además, el impacto de las inclusiones fluidas en el cuarzo de alta pureza también se evidencia por la presencia de varios iones metálicos dentro de las inclusiones fluidas, lo que también es uno de los principales factores que afectan la pureza del cuarzo.
Grupo hidroxilo
Dado que las impurezas y estructuras en el vidrio de cuarzo determinan sus propiedades físicas y químicas, la presencia de grupos hidroxilo en el vidrio de cuarzo puede cambiar la continuidad de la estructura de la red de cuarzo y afectar aún más sus propiedades. La presencia de grupos hidroxilo también reducirá la estabilidad química, la resistencia estructural, la resistencia al calor y la uniformidad óptica del vidrio de cuarzo.
La presencia de grupos hidroxilo cambiará las propiedades físicas y químicas del vidrio de cuarzo
El excelente rendimiento del vidrio de cuarzo depende principalmente de la estructura tetraédrica estable de [SiO4]. Cuando hay un defecto de hidroxilo, romperá el enlace Si-O en la red Si-O-Si, aumentando así la porosidad de la estructura, reduciendo la estabilidad química, la densidad y la viscosidad del vidrio de cuarzo. Como la presencia de grupos hidroxilo mejora la flexibilidad del enlace Si-O, aumentará el módulo de Young (E) y el módulo de torsión (G) en el vidrio de cuarzo mientras reduce su temperatura de ablandamiento y promueve la cristalización.
La presencia de grupos hidroxilo afectará las propiedades ópticas del vidrio de cuarzo
En el vidrio de cuarzo fundido producido por fusión eléctrica, el grupo hidroxilo proviene principalmente de la inclusión fluida en la arena de cuarzo de alta pureza como materia prima. En el vidrio de cuarzo fundido producido por refinación de gas, el grupo hidroxilo proviene principalmente de la llama oxihidrógeno, porque el hidrógeno y el agua pueden reaccionar fácilmente con el oxígeno en el dióxido de silicio para formar el grupo hidroxilo. El vidrio de cuarzo preparado por fusión de plasma a menudo tiene alta pureza y bajo contenido de grupos hidroxilo.
Burbuja
Las inclusiones fluidas no estallarán completamente durante el proceso de fusión del cuarzo, y aquellas inclusiones fluidas que no estallen antes de la fusión formarán burbujas en el vidrio de cuarzo fundido. La alta viscosidad del cuarzo fundido hace que la eliminación de burbujas sea particularmente desafiante. En consecuencia, la preparación de vidrio de cuarzo requiere la selección de materias primas que exhiban un bajo contenido de impurezas, con un número limitado de inclusiones o con inclusiones que hayan explotado.
La desigual distribución del tamaño de partícula dentro del material crudo resultará en la formación de burbujas y micro-núcleos en el vidrio de cuarzo. Por ejemplo, en el proceso de fusión, la diferencia en la energía de activación superficial resulta en la fusión preferencial del cuarzo de partículas pequeñas sobre el cuarzo de partículas grandes. El cuarzo fundido se recubrirá en la superficie del cuarzo no fundido, haciendo que sea difícil para las partículas grandes fundirse completamente. Esto resulta en la formación de defectos en las partículas, la creación de núcleos cristalinos de partículas y la aceleración de la cristalización. Además, el alto contenido de gas dentro del espacio entre partículas pequeñas hace que el proceso de escape de fusión sea más desafiante.
El forma de partícula del material crudo es también una de las razones que afectan la formación de burbujas en el vidrio de cuarzo. En el proceso de fusión de arena de cuarzo de alta pureza, la partícula acicular con una gran longitud es fácil de formar estructuras similares a andamios, resultando en una falta de suavidad en el material, dando lugar a burbujas en productos de vidrio. Para reducir la ocurrencia del fenómeno de andamiaje y mejorar la fluidez de la arena de cuarzo, es esencial que la arena de cuarzo sea de naturaleza granular y exhiba una relación longitud-diámetro lo más cercana posible a 1:1, lo que aproxima una forma esférica. Por lo tanto, la distribución del tamaño de partícula y la forma de partícula del material crudo deben controlarse estrictamente.
En general, la mala calidad del vidrio de cuarzo puede atribuirse a dos factores principales: la pureza de las materias primas y el proceso de fabricación. Por lo tanto, es necesario mejorar el rendimiento del vidrio de cuarzo desde dos aspectos: el tratamiento de las materias primas de cuarzo y la tecnología central de producción de vidrio de cuarzo.
