Pesquisa em Técnicas de Processamento e Recozimento de Vidro de Quartzo

Esta pesquisa sobre técnicas de processamento e recozimento de vidro de quartzo visa a produção de fibra óptica e projetos relacionados. Busca melhorar a estabilidade dos produtos de quartzo em temperaturas altas e normais por meio da prática, garantindo a aplicação suave dos produtos em diversos cenários.

O vidro de quartzo é classificado por métodos de processamento, usos e aparência, como vidro de quartzo transparente fundido, vidro de quartzo fundido, vidro de quartzo transparente refinado a gás, vidro de quartzo sintético, vidro de quartzo opaco, vidro de quartzo óptico, vidro de quartzo para semicondutores e quartzo vidro para fontes de luz elétrica. Estes são divididos em duas categorias principais: transparentes e opacos. Com base na pureza, é dividido em três categorias: alta pureza, comum e dopado.

A desvitrificação do vidro de quartzo resistente a altas temperaturas é um defeito inerente. O vidro de quartzo tem maior energia interna do que o quartzo cristalino, tornando-o um estado metaestável termodinamicamente instável. As moléculas de SiO2 aceleram a vibração e formam cristais após rearranjo e orientação de longo prazo. A cristalização ocorre principalmente na superfície, seguida de defeitos internos, pois essas áreas são propensas à contaminação, levando ao acúmulo localizado de íons impurezas. Particularmente, os íons alcalinos (como K, Na, Li, Ca, Mg) reduzem a viscosidade ao entrar na rede, acelerando a desvitrificação.

Este artigo discute componentes de quartzo processados, cobrindo apenas vidro de quartzo de capacitor sintético transparente.

Ao processar vidro de quartzo, normalmente é usada uma chama de hidrogênio-oxigênio, com uma temperatura de processamento de cerca de 1500-1600°C.

O vidro é um mau condutor de calor. Quando um pedaço de vidro de quartzo (sem pressão) é aquecido ou resfriado, a camada externa do vidro de quartzo é aquecida diretamente ou começa a esfriar primeiro, e o vidro interno é aquecido (a condução de calor transfere o calor externo para o interior) ou resfriado depois . Isto cria uma diferença de temperatura entre a superfície e o interior do vidro de quartzo. Quando aquecido, a temperatura da superfície do vidro de quartzo aquecido diretamente é alta e a temperatura interna do vidro de quartzo que recebe calor é baixa, fazendo com que a camada externa do vidro de quartzo aquecido se expanda. A temperatura interior mais baixa tenta manter o seu estado original, dificultando a expansão da camada externa. Assim, a expansão e a anti-expansão ocorrem dentro do vidro de quartzo, criando dois tipos de tensões devido à interação: tensão de compressão e tensão de tração. A força que tenta impedir que a camada externa do vidro de quartzo se expanda para dentro e atue na camada externa é chamada de tensão de compressão, enquanto a força exercida pela camada externa do vidro de quartzo que se expande para dentro é conhecida como tensão de tração.

Como a resistência à compressão do vidro de quartzo é muito maior do que a sua resistência à tração, as camadas interna e externa do vidro de quartzo podem suportar diferenças significativas de temperatura durante o aquecimento. Ao processar com uma lâmpada, o vidro de quartzo pode ser aquecido diretamente em uma chama de hidrogênio-oxigênio sem quebrar. Por outro lado, quando o vidro de quartzo aquecido a 500°C ou mais é colocado em água de resfriamento, ele racha facilmente.

A distribuição de tensão gerada pelo processamento da lâmpada é aproximadamente a seguinte:

1. Estresse na fusão rotacional As mãos do operador giram e derretem o tubo de vidro na chama da tocha. Como o tubo de vidro é aquecido por rotação e não pela parte fundida, a tensão se manifesta como linhas circulares.
2. Estresse na fusão lateral Para aberturas, conexões laterais e soldagem transversal do núcleo interno de tubos de quartzo, o tubo de quartzo não gira, resultando em uma distribuição de tensão diferente da mencionada acima. Neste momento, a tensão é distribuída ao redor da peça fundida.
3. Tensão nas juntas de anel As juntas de anel referem-se à soldagem do núcleo interno.
4. Tensão nas extremidades seladas de produtos de jaqueta Os produtos de jaqueta para instrumentos de quartzo vêm em vários formatos, mas são todos lacrados. Por exemplo, em um tubo condensador reto padrão, quando ambas as extremidades são vedadas, a tensão está presente não apenas na camisa externa, mas também no núcleo interno, levando a uma tensão significativa.

A magnitude da tensão varia com a diferença de temperatura e a espessura do vidro de quartzo. Quanto maior a diferença de temperatura e mais espesso o vidro, maior será a tensão. Portanto, a remoção do estresse é particularmente importante.

O estresse térmico em produtos de vidro de quartzo pode ser dividido em estresse temporário e estresse permanente.

O estresse temporário ocorre quando a mudança de temperatura do vidro está abaixo da temperatura do ponto de deformação, resultando em calor total irregular devido à baixa condutividade térmica, criando certo estresse térmico. Este estresse térmico existe devido à diferença de temperatura e é conhecido como estresse temporário.

Deve-se notar que, como as hastes com núcleo de quartzo geralmente processadas contêm diferentes substâncias químicas, elas são propensas a aquecimento desigual. Portanto, após a emenda, a chama deve ser usada para aquecer uniformemente o corpo da haste, tornando o gradiente geral de temperatura o mais suave possível, reduzindo significativamente a tensão temporária da haste do núcleo de quartzo.

Quando o vidro esfria acima da temperatura do ponto de deformação, a tensão térmica gerada pela diferença de temperatura não desaparece completamente após o resfriamento até a temperatura ambiente, deixando alguma tensão no vidro. A magnitude da tensão permanente depende da taxa de resfriamento acima da temperatura do ponto de deformação, da viscosidade do vidro de quartzo, do coeficiente de expansão térmica e da espessura do produto.

Conforme mencionado acima, a tensão permanente gerada após o processamento da haste de quartzo afeta o processamento e a produção subsequentes. Portanto, a tensão permanente só pode ser eliminada através do recozimento.

Geralmente, os produtos de vidro são recozidos após o processamento. Recozimento refere-se a um processo de tratamento térmico entre a temperatura de transição e a temperatura do ponto de deformação para eliminar o estresse térmico gerado durante o processo de fabricação. Normalmente, quanto maior o coeficiente de expansão do vidro, quanto maior o diâmetro e quanto mais complexo o estado do produto, mais severa será a tensão. Como mencionado anteriormente, a haste de quartzo contatada tem um diâmetro grande e contém hastes de núcleo misto, portanto, é necessário um tratamento térmico rigoroso para remover a tensão.

Na produção real, é impossível eliminar completamente a tensão dentro do corpo da haste durante o recozimento da haste de quartzo. No entanto, a quantidade residual é tão pequena que não é facilmente detectada mesmo sob um polariscópio.

Teoricamente, a temperatura de recozimento mais alta significa que 95% da tensão pode ser eliminada após 3 minutos; a temperatura de recozimento mais baixa resulta em uma liberação de tensão 5% após 3 minutos. Na prática de produção, a temperatura comumente usada é 50°C inferior à temperatura de recozimento mais alta e 100°C superior à temperatura de recozimento mais baixa. Existem muitas maneiras de recozer, mas o método principal é o recozimento em forno, que é o foco desta discussão.

De acordo com o princípio de recozimento mencionado acima, o recozimento do vidro de quartzo é dividido em quatro estágios: estágio de aquecimento, estágio de temperatura constante, estágio de resfriamento e estágio de resfriamento natural.

1. Estágio de aquecimento Para o vidro de quartzo, este trabalho baseia-se nos requisitos de recozimento dos produtos ópticos. Todo o processo de aquecimento envolve aquecimento lento até 1100°C. De acordo com a experiência, o aumento de temperatura é de 4,5/R²°C/min, onde R é o raio do produto de vidro de quartzo.
2. Estágio de temperatura constante Quando a haste de quartzo atinge a temperatura de recozimento mais alta, o corpo do forno é mantido a uma temperatura constante para garantir o aquecimento uniforme do produto, preparando-o para a próxima etapa de resfriamento.
3. Estágio de resfriamento Para eliminar ou produzir muito pouca tensão permanente durante o processo de resfriamento da haste de quartzo, a temperatura deve ser reduzida lentamente para evitar um grande gradiente de temperatura. As taxas de resfriamento são as seguintes:
   • 1100°C a 950°C: 15°C/hora
   • 950°C a 750°C: 30°C/hora
   • 750°C a 450°C: 60°C/hora
4. Estágio de resfriamento natural Abaixo de 450°C, a energia do forno de recozimento é desligada e o ambiente é mantido sem alterar o ambiente de isolamento até que ele esfrie naturalmente abaixo de 100°C. Abaixo de 100°C, o ambiente de isolamento é aberto e esfria até a temperatura ambiente.

O tempo e a temperatura envolvidos nas etapas acima são baseados em resultados teóricos e práticos de produção. A Figura 1 mostra produtos experimentais que falharam devido ao aquecimento irregular causado por aquecimento muito curto ou tempo de temperatura constante.

No processo de produção e processamento do vidro de quartzo, existe tensão nos produtos em qualquer estágio, seja temporário ou permanente. Métodos como “chama”, “ácido HF” e “forno de recozimento” podem ser usados para remover tensões temporárias ou reduzir tensões permanentes. A remoção do estresse é crucial para melhorar a estabilidade mecânica e a uniformidade óptica dos produtos de quartzo.

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