Cuarzo fundido

Vidrio compuesto de sílice pura

No confundir con cuarzo impactado .

Esta esfera de cuarzo fundido se fabricó para su uso en un giroscopio en el experimento Gravity Probe B. Es una de las esferas más precisas jamás fabricadas, desviándose de una esfera perfecta en no más de 40 átomos de espesor. Se cree que solo las estrellas de neutrones y las esferas de silicio monocristalino utilizadas en el Proyecto Avogadro son más suaves.

El cuarzo fundido, la sílice fundida o el vidrio de cuarzo es un vidrio que consta de sílice en forma amorfa (no cristalina ). Se diferencia de los vasos tradicionales en que no contiene otros ingredientes, que normalmente se añaden al vidrio para reducir la temperatura de fusión. La sílice fundida, por lo tanto, tiene altas temperaturas de trabajo y de fusión. Aunque los términos cuarzo fundido y sílice fundida se usan indistintamente, las propiedades ópticas y térmicas de la sílice fundida son superiores a las del cuarzo fundido y otros tipos de vidrio debido a su pureza. ^[1] Por estas razones, se utiliza en situaciones como semiconductoresequipos de fabricación y laboratorio. Transmite los rayos ultravioleta mejor que otras gafas, por lo que se utiliza para fabricar lentes y ópticas para el espectro ultravioleta. El bajo coeficiente de expansión térmica del cuarzo fundido lo convierte en un material útil para sustratos de espejos de precisión. ^[2]

Fabricación

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:

• El tipo I se produce mediante la fusión por inducción de cuarzo natural en el vacío o en una atmósfera inerte.
• El tipo II se produce fusionando polvo de cristal de cuarzo en una llama de alta temperatura.
• El tipo III se produce quemando SiCl ₄ en una llama de hidrógeno y oxígeno .
• El tipo IV se produce quemando SiCl ₄ en una llama de plasma sin vapor de agua. ^[3]

El cuarzo contiene solo silicio y oxígeno, aunque el vidrio de cuarzo comercial a menudo contiene impurezas. Las impurezas más dominantes son el aluminio y el titanio . ^[4]

Fusion

La fusión se efectúa a aproximadamente 1650 ° C (3000 ° F) usando un horno calentado eléctricamente (fundido eléctricamente) o un horno alimentado con gas / oxígeno (fundido con 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 ultra alta y una transmisión óptica mejorada en el ultravioleta profundo. Un método común consiste en agregar tetracloruro de silicio a una llama de hidrógeno-oxígeno. ^{[ cita requerida ]}

Calidad del producto

El cuarzo fundido es normalmente transparente. Sin embargo, el material puede volverse translúcido si se permite que pequeñas burbujas de aire queden atrapadas en su interior. El contenido de agua (y por lo tanto la transmisión infrarroja del cuarzo fundido y la sílice fundida) se determina mediante el proceso de fabricación. El material fundido con llama siempre tiene un mayor contenido de agua debido a la combinación de los hidrocarburos y el oxígeno que alimentan el horno, formando grupos hidroxilo [OH] dentro del material. Un material de grado IR normalmente tiene un contenido de [OH] por debajo de 10 ppm. ^{[ cita requerida ]}

Aplicaciones

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La mayoría de las aplicaciones de la sílice fundida explotan su amplio rango de transparencia, que se extiende desde el UV hasta el IR cercano. La sílice fundida es el material de partida clave para la fibra óptica que se utiliza para las telecomunicaciones.

Debido a su resistencia y alto punto de fusión (en comparación con el vidrio ordinario ), la sílice fundida se utiliza como envoltura para lámparas halógenas y lámparas de descarga de alta intensidad , que deben operar a una temperatura de envoltura alta para lograr su combinación de alto brillo y larga vida. . Los tubos de vacío con envolturas de sílice permitían el enfriamiento por radiación mediante ánodos incandescentes.

Debido a su resistencia, la sílice fundida se utilizó en embarcaciones de buceo profundo como la batisfera y el bentoscopio . La sílice fundida también se utiliza para formar las ventanas de las naves espaciales tripuladas, incluido el transbordador espacial y la estación espacial internacional . ^[5]

La combinación de resistencia, estabilidad térmica y transparencia UV lo convierte en un excelente sustrato para máscaras de proyección para fotolitografía .

Una EPROM con ventana de cuarzo fundido en la parte superior del paquete

Su transparencia ultravioleta también encuentra usos en la industria de los semiconductores; Una EPROM , o memoria de sólo lectura programable y borrable , es un tipo de chip de memoria que retiene sus datos cuando se apaga la fuente de alimentación, pero que puede borrarse al exponerse a una luz ultravioleta intensa. Las EPROM son reconocibles por la ventana de cuarzo fundido transparente (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 permite la exposición a la luz ultravioleta durante el borrado. ^{[6] [7]}

Debido a la estabilidad térmica y la composición, se utiliza en el almacenamiento de datos ópticos 5D ^[8] y en hornos de fabricación de semiconductores. ^{[ cita requerida ]}

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 una manera predecible y permite al fabricante óptico aplicar un pulido muy suave sobre la superficie y producir la figura deseada con menos iteraciones de prueba. En algunos casos, se ha utilizado un grado ultravioleta de alta pureza de cuarzo fundido para fabricar varios de los elementos de lentes 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 Nikon UV-Nikkor 105 mm f / 4.5 (actualmente vendido ^{[ aclaración necesaria ]}como la lente Nikon PF10545MF-UV). Estos lentes se utilizan para fotografía UV, ya que el vidrio de cuarzo tiene una tasa de extinción más baja que los lentes fabricados con fórmulas más comunes de vidrio flint o crown .

El cuarzo fundido se puede metalizar y grabar para su uso como sustrato para circuitos de microondas de alta precisión, la 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.

El cuarzo fundido es también el material utilizado para instrumentos de vidrio modernos como el arpa de vidrio y el verrófono , y también se usa para nuevas construcciones de la histórica armónica de vidrio . Aquí, la fuerza y ​​la estructura superiores del cuarzo fundido le dan un rango dinámico mayor y un sonido más claro que el cristal de plomo utilizado históricamente .

Aplicaciones de material refractario

La sílice fundida como materia prima industrial se utiliza para fabricar varias formas refractarias, como crisoles, bandejas, cubiertas y rodillos para muchos procesos térmicos de alta temperatura, incluida la fabricación de acero , la fundición de inversión y la fabricación de vidrio. Las formas refractarias hechas de sílice fundida 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 la concentración, excepto el ácido fluorhídrico , que es muy reactivo incluso en concentraciones bastante bajas. Los tubos translúcidos de sílice fundida se usan comúnmente para revestir elementos eléctricos en calentadores de habitaciones , hornos industriales y otras aplicaciones similares.

Debido a su baja amortiguación mecánica a temperaturas ordinarias, se utiliza para resonadores de alta Q , en particular, para resonadores de copa de vino de giroscopio resonador hemisférico. ^{[9] [10]}

El material de vidrio de cuarzo se usa 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 costo 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, los elementos en exposición directa al calor.

Propiedades físicas

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El coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo, 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 ).

Fosforescencia en cuarzo fundido a partir de un pulso extremadamente intenso de luz ultravioleta en un tubo de destello, centrado a 170 nm

El cuarzo fundido es propenso a la fosforescencia y la " solarización " (decoloración violácea) bajo una intensa iluminación ultravioleta, como se ve a menudo en los tubos de flash . La sílice fundida sintética de "grado UV" (que se vende con varios nombres comerciales, incluidos "HPFS", "Spectrosil" y "Suprasil") tiene un contenido de impurezas metálicas muy bajo, lo que la hace transparente más profundamente en el 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 se reduce a solo 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.

El cuarzo fundido de "grado infrarrojo" (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 de infrarrojos de hasta 3,6 μm de longitud de onda. Todos los grados de cuarzo fundido transparente / sílice fundida tienen propiedades mecánicas casi idénticas.

Fosforescencia del tubo de encendido de cuarzo de un flash con espacio de aire

Propiedades ópticas

La dispersión óptica de la sílice fundida se puede aproximar mediante la siguiente ecuación de Sellmeier : ^[11]

${\displaystyle \varepsilon =n^{2}=1+{\frac {0.6961663\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0.0684043^{2}}}+{\frac {0.4079426\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0.1162414^{2}}}+{\frac {0.8974794\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-9.896161^{2}}},}$

donde la longitud de onda se mide en micrómetros. Esta ecuación es válida entre 0,21 y 3,71 µm ya 20 ° C. ^[11] Se confirmó su validez para longitudes de onda de hasta 6,7 ​​µm. ^[3] Los datos experimentales para las partes real (índice de refracción) e imaginaria (índice de absorción) del índice de refracción complejo del cuarzo fundido reportados en la literatura sobre el rango espectral de 30 nm a 1000 µm han sido revisados ​​por Kitamura et al. ^[3] y están disponibles en línea .${\displaystyle \lambda }$

Propiedades típicas de la sílice fundida transparente

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• Densidad : 2,203 g / cm ³
• Dureza : 5,3 ... 6,5 (escala de Mohs), 8,8 GPa
• Resistencia a la tracción : 48,3 MPa
• Resistencia a la compresión :> 1,1 GPa
• Módulo de volumen : ~ 37 GPa
• Módulo de rigidez : 31 GPa
• Módulo de 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 de 20 ... 320 ° C)
• Conductividad térmica : 1,3 W / (m · K)
• Capacidad calorífica específica : 45,3 J / (mol · K)
• Punto de ablandamiento : ≈1665 ° C
• Punto de recocido : ≈1140 ° C
• Punto de deformación : 1070 ° C
• Resistividad eléctrica :> 10 ¹⁸ Ω · m
• Constante dieléctrica : 3,75 a 20 ° C 1 MHz
• Susceptibilidad magnética : −11,28 ⋅ 10 ⁻⁶ (SI, 22 ° C) ^[12]
• Factor de pérdida dieléctrica : menos de 0,0004 a 20 ° C 1 MHz típicamente 6 ⋅ 10 ⁻⁵ a 10 GHz ^[13]
• Índice de refracción : n _d = 1.4585 (a 587.6 nm)
• Cambio del índice de refracción con la temperatura (0 ... 700 ° C) ^{[ aclarar ]} : 1,28 ⋅ 10 ⁻⁵ / K (entre 20 ... 30 ° C) ^[11]
• Coeficientes de tensión óptica : p ₁₁ = 0,113, p ₁₂ = 0,252.
• Constante de Hamaker : A = 6,5 ⋅ 10 ⁻²⁰ J.
• Rigidez dieléctrica : 250 ... 400 kV / cm a 20 ° C ^[14]
• Tensión superficial : 0,300 N / ma 1800 ... 2400 ° C ^[15]
• Número de Abbe : Vd = 67,82 ^[16]

Ver también

• Vycor
• Estructura de líquidos y vasos.
• Fibra de cuarzo

Referencias

1. "Cuarzo frente a sílice fundida: ¿Cuál es la diferencia?" . Vaso rápido . 2015-09-08 . Consultado el 18 de agosto de 2017 .
2. De Jong, Bernard HWS; Beerkens, Ruud GC; Van Nijnatten, Peter A. (2000). "Vidrio". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . doi : 10.1002 / 14356007.a12_365 . ISBN 3-527-30673-0.
3. Kitamura, Rei; Pilon, Laurent; Jonasz, Miroslaw (19 de noviembre de 2007). "Constantes ópticas de vidrio de sílice de ultravioleta extrema a infrarrojo lejano a temperaturas cercanas a la habitación" (PDF) . Óptica aplicada . 46 (33): 8118–8133. Código bibliográfico : 2007ApOpt..46.8118K . doi : 10.1364 / AO.46.008118 . PMID 18026551 . Consultado el 12 de julio de 2014 .  
4. Pureza química del cuarzo fundido / sílice fundida , www.heraeus-quarzglas.com
5. Salem, Jonathan (2012). "Cerámica de armadura transparente como ventanas de naves espaciales" . Revista de la Sociedad Americana de Cerámica .
6. "Intel 1702A 2K (256 x 8) UV borrable PROM" (PDF) .
7. "Historial de CPU - EPROM" . www.cpushack.com . Consultado el 12 de mayo de 2021 .
8. Kazansky, P .; et al. (11 de marzo de 2016). "Almacenamiento de datos 5D eterno mediante escritura láser ultrarrápida en vidrio" . Sala de prensa SPIE.
9. Una descripción general de la tecnología de detección inercial de MEMS , 1 de febrero de 2003
10. Penn, Steven D .; Harry, Gregory M .; Gretarsson, Andri M .; Kittelberger, Scott E .; Saulson, Peter R .; Schiller, John J .; Smith, Joshua R .; Espadas, Sol O. (2001). "Factor de alta calidad medido en sílice fundida". Revisión de instrumentos científicos . 72 (9): 3670–3673. arXiv : gr-qc / 0009035 . Código Bibliográfico : 2001RScI ... 72.3670P . doi : 10.1063 / 1.1394183 . S2CID 11630697 . 
11. Malitson, IH (octubre de 1965). "Comparación entre muestras del índice de refracción de la sílice fundida" (PDF) . Revista de la Optical Society of America . 55 (10): 1205–1209. Código Bibliográfico : 1965JOSA ... 55.1205M . doi : 10.1364 / JOSA.55.001205 . Consultado el 12 de julio de 2014 .
12. Wapler, MC; Leupold, J .; Dragonu, I .; von Elverfeldt, D .; Zaitsev, M .; Wallrabe, U. (2014). "Propiedades magnéticas de materiales para ingeniería de RM, micro-RM y más allá". JMR . 242 : 233–242. arXiv : 1403,4760 . Código Bibliográfico : 2014JMagR.242..233W . doi : 10.1016 / j.jmr.2014.02.005 . PMID 24705364 . S2CID 11545416 .  
13. "Conceptos de Keysight Technologies GENESYS" (PDF) . Tecnologías Keysight .
14. "Sílice fundida" . OpticsLand . Archivado desde el original el 2 de junio de 2013 . Consultado el 27 de febrero de 2016 .
15. Medición de la tensión superficial y la viscosidad de vidrios ópticos utilizando un láser de CO2 de escaneo
16. "Índice de refracción de sílice fundida (cuarzo fundido)" . Índice de refracción . Consultado el 18 de agosto de 2017 .

Enlaces externos

• "Ojo congelado para traer nuevos mundos a la vista" Popular Mechanics , junio de 1931 General Electrics, West Lynn Massachusetts Labs trabaja en grandes bloques de cuarzo fundido