O desempenho do vidro de quartzo é influenciado principalmente pela qualidade das matérias-primas e pelo processo de fabricação. Se a pureza das matérias-primas for insuficiente, o vidro de quartzo produzido pode apresentar uma série de defeitos, incluindo bolhas, linhas de ar, impurezas, alto teor de hidroxila e cristalização severa. Esses problemas podem levar a um desempenho inferior do vidro de quartzo de várias maneiras. Se o processo não for estritamente controlado, os defeitos no grupo hidroxila, estresse interno, listras e microestrutura também reduzirão o índice de desempenho do vidro de quartzo.
Impurezas nas matérias-primas
Metal alcalino
Metais alcalinos como Li, Na e K têm uma forte ação de fluxo na estrutura do vidro de quartzo fundido, levando à desvitrificação e deformação do vidro de quartzo em aplicações de alta temperatura. Em segundo lugar, os metais alcalinos afetarão as propriedades térmicas e ópticas do vidro de quartzo, o que, por sua vez, reduz a vida útil de fontes de luz elétrica e semicondutores. Além disso, os metais alcalinos também podem aumentar o coeficiente dielétrico e a perda dielétrica do vidro de quartzo, afetando as propriedades dielétricas e a resistência mecânica do vidro de quartzo.
Metais de transição
Metais de transição, incluindo Fe, Cr, Mn, Ni e Cu, exibem uma gama de estados de oxidação, muitas vezes manifestados em cores específicas. Esse fenômeno tem um impacto significativo na qualidade do vidro de quartzo fundido. Por exemplo, metais de transição em traços reduzirão a condutividade do vidro de quartzo fundido, desempenhando um papel negativo na confiabilidade e previsibilidade do instrumento. Isso também dará origem a manchas de cor ou descoloração em alta temperatura na superfície do vidro de quartzo, afetando assim seu desempenho de transmissão de luz.
Elementos Al, B, Ti, etc.
O teor de Al, B e Ti no quartzo está diretamente relacionado à geologia do depósito. Esses elementos, quando presentes na rede de quartzo, podem formar ligações químicas fortes, que são as impurezas mais desafiadoras de remover do quartzo. O excesso de conteúdo desses elementos terá um impacto significativo na cristalização do vidro de quartzo, resultando na formação de vidro de quartzo duro e quebradiço com resistência reduzida.
Impurezas de inclusões
O quartzo natural geralmente contém inclusões minerais. Devido ao tamanho de partícula diminuto e ao fechamento apertado das inclusões dentro do quartzo, é difícil remover as inclusões minerais e as inclusões fundidas pelo método de seleção e fusão sem danificar o próprio cristal de quartzo. Além disso, o impacto das inclusões fluidas no quartzo de alta pureza também é evidenciado pela presença de vários íons metálicos dentro das inclusões fluidas, o que também é um dos principais fatores que afetam a pureza do quartzo.
Grupo hidroxila
Como as impurezas e estruturas no vidro de quartzo determinam suas propriedades físicas e químicas, a presença de grupo hidroxila no vidro de quartzo pode alterar a continuidade da estrutura da rede de quartzo e influenciar ainda mais suas propriedades. A presença de grupo hidroxila também reduzirá a estabilidade química, a resistência estrutural, a resistência ao calor e a uniformidade óptica do vidro de quartzo.
A presença de grupo hidroxila mudará as propriedades físicas e químicas do vidro de quartzo
O excelente desempenho do vidro de quartzo depende principalmente da estrutura tetraédrica estável de [SiO4]. Quando há um defeito de hidroxila, ele quebrará a ligação Si-O na rede Si-O-Si, aumentando assim a porosidade da estrutura, reduzindo a estabilidade química, densidade e viscosidade do vidro de quartzo. Como a presença de grupos hidroxila aumenta a flexibilidade da ligação Si-O, isso aumentará o módulo de Young (E) e o módulo de torção (G) no vidro de quartzo, enquanto reduz sua temperatura de amolecimento e promove a cristalização.
A presença de grupo hidroxila afetará as propriedades ópticas do vidro de quartzo
No vidro de quartzo fundido produzido por fusão elétrica, o grupo hidroxila vem principalmente da inclusão fluida na areia de quartzo de alta pureza como matéria-prima. No vidro de quartzo fundido produzido por refino a gás, o grupo hidroxila vem principalmente da chama oxihidrogênio, porque o hidrogênio e a água podem facilmente reagir com o oxigênio no dióxido de silício para formar o grupo hidroxila. O vidro de quartzo preparado por fusão a plasma geralmente tem alta pureza e baixo teor de grupo hidroxila.
Bolha
As inclusões fluidas não explodirão completamente durante o processo de fusão do quartzo, e aquelas inclusões fluidas que não explodirem antes da fusão formarão bolhas no vidro de quartzo fundido. A alta viscosidade do quartzo fundido torna a remoção de bolhas particularmente desafiadora. Consequentemente, a preparação do vidro de quartzo requer a seleção de matérias-primas que apresentem baixo teor de impurezas, com um número limitado de inclusões ou com inclusões que tenham explodido.
A desigual distribuição do tamanho das partículas dentro da matéria-prima resultará na formação de bolhas e micro-núcleos no vidro de quartzo. Por exemplo, no processo de fusão, a diferença na energia de ativação da superfície resulta na fusão preferencial do quartzo de partículas pequenas sobre o quartzo de partículas grandes. O quartzo fundido revestirá a superfície do quartzo não fundido, dificultando a fusão completa das partículas grandes. Isso resulta na formação de defeitos nas partículas, na criação de núcleos de cristal de partículas e na aceleração da cristalização. Além disso, o alto teor de gás dentro do espaço entre as pequenas partículas torna o processo de exaustão de fusão mais desafiador.
O forma de partícula da matéria-prima é também uma das razões que afetam a formação de bolhas no vidro de quartzo. No processo de fusão da areia de quartzo de alta pureza, a partícula acicular com um grande comprimento é fácil de formar estruturas semelhantes a andaimes, resultando em uma falta de suavidade no material, dando origem a bolhas nos produtos de vidro. Para reduzir a ocorrência do fenômeno de andaime e melhorar a fluidez da areia de quartzo, é essencial que a areia de quartzo seja granular por natureza e exiba uma relação comprimento-diâmetro o mais próximo possível de 1:1, o que se aproxima de uma forma esférica. Portanto, a distribuição do tamanho das partículas e a forma das partículas da matéria-prima devem ser estritamente controladas.
Em geral, a baixa qualidade do vidro de quartzo pode ser atribuída a dois fatores principais: a pureza das matérias-primas e o processo de fabricação. Portanto, é necessário melhorar o desempenho do vidro de quartzo a partir de dois aspectos: o tratamento das matérias-primas de quartzo e a tecnologia central de produção de vidro de quartzo.
