Cuarzo fundido

El cuarzo fundido , sílice fundida o vidrio de cuarzo es un vidrio que consiste en sílice casi pura (dióxido de silicio, SiO2 ₎ en forma amorfa (no cristalina ). Esto difiere de todos los demás vidrios comerciales, como el vidrio sódico-cálcico , el vidrio de plomo o el vidrio de borosilicato , en los que se agregan otros ingredientes que cambian las propiedades ópticas y físicas de los vidrios, como reducir la temperatura de fusión, el rango de transmisión espectral o la resistencia mecánica. El cuarzo fundido, por lo tanto, tiene altas temperaturas de trabajo y fusión, lo que lo hace difícil de moldear y menos deseable para la mayoría de las aplicaciones comunes, pero es mucho más fuerte, más resistente químicamente y presenta una expansión térmica menor , lo que lo hace más adecuado para muchos usos especializados, como la iluminación y las aplicaciones científicas.

Los términos cuarzo fundido y sílice fundida se utilizan indistintamente, pero pueden referirse a diferentes técnicas de fabricación, lo que da como resultado diferentes impurezas traza. Sin embargo, el cuarzo fundido, al estar en estado vítreo , tiene propiedades físicas bastante diferentes en comparación con el cuarzo cristalino a pesar de estar hecho de la misma sustancia. ^[2] Debido a sus propiedades físicas, encuentra usos especiales 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 bien en las longitudes de onda ultravioleta e infrarroja , por lo que se utiliza para fabricar lentes y otros elementos ópticos 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 en el ultravioleta. El bajo coeficiente de expansión térmica del cuarzo fundido lo convierte en un material útil para sustratos de espejos de precisión o planos ópticos . ^[3]

El cuarzo fundido se produce mediante la fusión (fusión) de arena de sílice de alta pureza, que consta de cristales de cuarzo . Existen cuatro tipos básicos de vidrio de sílice comercial:

• El tipo I se produce mediante la fusión por inducción de cuarzo natural en 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 SiCl4 en una llama _de hidrógeno y oxígeno .
• El tipo IV se produce quemando SiCl4 _en una llama de plasma sin vapor de agua. ^[4]

El cuarzo contiene únicamente silicio y oxígeno, aunque el vidrio de cuarzo comercial suele contener impurezas. Dos impurezas dominantes son el aluminio y el titanio ^[5], que afectan a la transmisión óptica en longitudes de onda ultravioleta. Si hay agua presente en el proceso de fabricación, pueden incrustarse grupos hidroxilo (OH), lo que reduce la transmisión en el infrarrojo.

La fusión se lleva a cabo a aproximadamente 2200 °C (4000 °F) utilizando un horno calentado eléctricamente (fundido eléctricamente) o un horno alimentado con gas/oxígeno (fundido con llama). ^[6] La sílice fundida se puede fabricar a partir de casi cualquier precursor químico rico en silicio , generalmente utilizando un proceso continuo que implica la oxidación con llama de compuestos volátiles de silicio 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 implica agregar tetracloruro de silicio a una llama de hidrógeno y oxígeno. ^{[ cita requerida ]}

El cuarzo fundido es normalmente transparente. Sin embargo, el material puede volverse translúcido si se dejan atrapadas pequeñas burbujas de aire en su interior. El contenido de agua (y, por lo tanto, la transmisión infrarroja) del cuarzo fundido está determinado por el proceso de fabricación. El material fundido a la 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. ^[7]

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 , que se utiliza para las 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 de envoltura alta para lograr su combinación de alto brillo y larga vida útil. 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 naves de buceo profundo como la batisfera y el bentoscopio y en las ventanas de naves espaciales tripuladas, incluido el transbordador espacial y la Estación Espacial Internacional . ^[8] El cuarzo fundido también se utilizó en el desarrollo de armaduras compuestas . ^[9]

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 a los rayos ultravioleta también se utiliza como ventana en las EPROM ( memoria de solo lectura programable y borrable ), un tipo de chip de memoria no volátil que se borra mediante la exposición a una luz ultravioleta intensa. Las EPROM se reconocen por la ventana de cuarzo fundido transparente (aunque algunos modelos posteriores utilizan resina transparente a los rayos ultravioleta) 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 borrar. ^{[10] [11]}

Debido a su estabilidad térmica y composición, se utiliza en el almacenamiento de datos ópticos 5D ^[12] y en hornos de fabricación de semiconductores. ^{[13] [14]}

El cuarzo fundido tiene propiedades casi ideales para fabricar espejos de primera superficie como los que se usan 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 UV de cuarzo fundido de alta pureza para fabricar varios de los elementos de lente individuales sin revestimiento de lentes para propósitos especiales, incluido el Zeiss 105 mm f/4.3 UV Sonnar, un lente fabricado anteriormente para la cámara Hasselblad, y el lente Nikon UV-Nikkor 105 mm f/4.5 (actualmente vendido como Nikon PF10545MF-UV). Estos lentes se utilizan para fotografía UV, ya que el vidrio de cuarzo puede ser transparente a longitudes de onda mucho más cortas que los lentes fabricados con fórmulas más comunes de vidrio de sílex o de corona .

El cuarzo fundido se puede metalizar y grabar para utilizarlo 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.

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, incluidos la fabricación de acero , la fundición a la cera perdida y la 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 la 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 ambiente , hornos industriales y otras aplicaciones similares.

Debido a su baja amortiguación mecánica a temperaturas ordinarias, se utiliza para resonadores de alto Q , en particular, para resonadores de copa de vino o giroscopios resonadores hemisféricos. ^{[15] [16]} Por la misma razón, el cuarzo fundido también es el material utilizado para los instrumentos de vidrio modernos, como el arpa de vidrio y el verrófono , y también se utiliza para nuevas construcciones de la histórica armónica de vidrio , lo que proporciona a estos instrumentos un mayor rango dinámico y un sonido más claro que con el cristal de plomo utilizado históricamente .

El vidrio de cuarzo se utiliza ocasionalmente en los laboratorios de química cuando el vidrio de borosilicato estándar no puede soportar altas temperaturas o cuando se requiere una alta transmisión de rayos ultravioleta. El costo de producción es significativamente más alto, 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.

El coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo, aproximadamente5,5 × 10 ⁻⁷ /K (20–320 °C), explica su notable capacidad de 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 una intensa iluminación ultravioleta, como se observa a menudo en los tubos de destello . La sílice fundida sintética de "grado UV" (vendida bajo varios nombres comerciales, incluidos "HPFS", "Spectrosil" y "Suprasil") tiene un contenido muy bajo de impurezas metálicas, lo que la hace transparente en la profundidad del ultravioleta. Una óptica con un espesor de 1 cm tiene una transmitancia de alrededor del 50% a una longitud de onda de 170 nm, que cae 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 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 conduce a una excelente transmisión infrarroja de hasta 3,6 μm de longitud de onda. Todos los grados de cuarzo fundido transparente/sílice fundida tienen propiedades mecánicas casi idénticas.

La dispersión óptica del cuarzo fundido se puede aproximar mediante la siguiente ecuación de Sellmeier : ^[17]

${\displaystyle \varepsilon =n^{2}=1+{\frac {0,6961663\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0,0684043^{2}}}+{\frac {0,4079426\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-0,1162414^{2}}}+{\frac {0,8974794\lambda ^{2}}{\lambda ^{2}-9,896161^{2}}},}$

donde la longitud de onda se mide en micrómetros. Esta ecuación es válida entre 0,21 y 3,71 μm y a 20 °C. ^[17] Su validez se confirmó para longitudes de onda de hasta 6,7 ​​μm. ^{[4] Kitamura et al. [4 ]} revisaron los datos experimentales para las partes real (índice de refracción) e imaginaria (índice de absorción) del índice de refracción complejo del cuarzo fundido informados en la literatura sobre el rango espectral de 30 nm a 1000 μm y están disponibles en línea .${\estilo de visualización \lambda}$

Su elevado número de Abbe de 67,8 lo convierte en uno de los vidrios con menor dispersión en longitudes de onda visibles, además de tener un índice de refracción excepcionalmente bajo en el visible ( n _d  = 1,4585). Cabe señalar 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 n _e  = 1,5534 en la misma longitud de onda. Aunque estas formas tienen la misma fórmula química, sus diferentes estructuras dan lugar a diferentes propiedades ópticas y físicas.

• Densidad : 2,203 g/ ^cm3
• 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 volumétrico : ~37 GPa
• Módulo de rigidez : 31 GPa
• Módulo de Young : 71,7 GPa
• Coeficiente 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 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
• Factor de pérdida dieléctrica : menos de 0,0004 a 20 °C 1 MHz típicamente 6 × 10 ⁻⁵ a 10 GHz ^[18]
• Rigidez dieléctrica : 250–400 kV/cm a 20 °C ^[19]
• Susceptibilidad magnética : −11,28 × 10 ⁻⁶ (SI, 22 °C) ^[20]
• Constante de Hamaker : A = 6,5 × 10 ⁻²⁰ J.
• Tensión superficial : 0,300 N/m a 1800–2400 °C ^[21]
• Índice de refracción : n _d = 1,4585 (a 587,6 nm)
• Cambio del índice de refracción con la temperatura: 1,28 × 10 ⁻⁵ /K (20–30 °C) ^[17]
• Rango de transmisión : Corte: 160 a 5000 nm, con una banda de absorción profunda a 2730 nm. Mejor transmitancia : 180 a 2700 nm. ^[22]
• Coeficientes de estrés óptico : p ₁₁ = 0,113, p ₁₂ = 0,252.
• Número de Abbe : Vd = 67,82 ^[23]

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

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