Cos'è un tubo di vetro al quarzo?

Tubo in vetro al quarzo è uno speciale materiale di vetro costituito da materia prima di silice di altissima purezza, che viene fusa ad alta temperatura e quindi lavorata con precisione. Con le sue eccellenti prestazioni globali, svolge un ruolo insostituibile nei settori high-tech come i semiconduttori, l'optoelettronica, le nuove energie e gli strumenti di ricerca scientifica.

La caratteristica più importante di questo materiale è l'eccellente resistenza alle alte temperature, che può sopportare ambienti a temperature estreme senza deformazioni o crepe, e l'eccellente resistenza agli shock termici, che può adattarsi ai rapidi cambiamenti di temperatura. In termini di ottica, i tubi di vetro al quarzo hanno una trasmissione luminosa estremamente elevata e sono adatti per un'ampia gamma di spettri, dall'ultravioletto all'infrarosso. Inoltre, mostra anche una stabilità chimica estremamente forte, può resistere alla maggior parte degli acidi forti e alla corrosione ad alta temperatura e garantire un uso stabile a lungo termine in ambienti difficili.

I tubi di vetro al quarzo hanno anche eccellenti proprietà di isolamento elettrico e resistenza meccanica, che li rendono ideali per dispositivi elettronici e ottici di precisione. La moderna tecnologia di produzione può produrre tubi al quarzo di grandi dimensioni e di elevata purezza e può adattare le loro prestazioni attraverso processi speciali per soddisfare le esigenze di diversi scenari applicativi. Che si tratti di produzione di semiconduttori, comunicazioni in fibra ottica o apparecchiature di ricerca scientifica di fascia alta, tubi di vetro al quarzo svolgere un ruolo chiave e promuovere lo sviluppo di tecnologie all’avanguardia.

1. Proprietà dei materiali
Proprietà chimiche
L'eccellente stabilità chimica dei tubi di vetro al quarzo deriva dalla loro speciale composizione e struttura del materiale. Questo materiale di silice di elevata purezza presenta un'inerzia chimica quasi perfetta e difficilmente reagisce con altre sostanze a temperatura ambiente. Ha una forte resistenza alla maggior parte degli acidi inorganici e dei solventi organici, compresi gli acidi forti come l'acido solforico concentrato, l'acido nitrico e l'acido cloridrico, nonché i composti organici come alcoli e chetoni. Anche in condizioni di temperatura elevata, i tubi di vetro al quarzo possono mantenere questa proprietà chimica stabile, che li rende un materiale ideale per contenere sostanze corrosive.

I tubi di vetro al quarzo hanno una debole resistenza all'acido fluoridrico e all'acido fosforico caldo perché queste sostanze possono reagire specificamente con la silice. Allo stesso modo, anche i tubi di vetro al quarzo sono suscettibili alla corrosione in ambienti ad alta temperatura e fortemente alcalini. Nelle applicazioni pratiche, particolare attenzione dovrebbe essere posta per evitare il contatto con questi specifici ambienti chimici. È questa stabilità chimica unica che rende i tubi di vetro al quarzo ampiamente utilizzati in campi come la produzione di semiconduttori e la produzione chimica che richiedono una purezza del materiale estremamente elevata.

Proprietà termiche
Tubo in vetro al quarzos può resistere continuamente ad ambienti a temperatura ultraelevata che i normali materiali metallici non possono sopportare. Questa eccellente resistenza al calore deriva dalla sua speciale struttura atomica. Anche in condizioni di temperatura estremamente elevata, i tubi di vetro al quarzo possono mantenere l'integrità strutturale senza ammorbidirsi e deformarsi. Ancora più sorprendente è che difficilmente cambia dimensione quando si verificano drastici cambiamenti di temperatura, cosa estremamente rara nella scienza dei materiali.

Questa stabilità termica unica rende i tubi di vetro al quarzo la scelta ideale per ambienti con temperature estreme. Può subire ripetutamente un rapido raffreddamento da temperature ultra elevate a temperatura ambiente senza fessurazioni o rotture, il che è importante nei processi industriali che richiedono cicli termici frequenti. Allo stesso tempo, la conduttività termica relativamente bassa dei tubi di vetro al quarzo lo rende un eccellente materiale isolante termico in grado di bloccare efficacemente la radiazione e la conduzione di fonti di calore ad alta temperatura.

Proprietà ottiche
I tubi di vetro al quarzo mostrano vantaggi ineguagliabili nelle proprietà ottiche. Ha una gamma di trasmittanza spettrale estremamente ampia e può trasmettere in modo efficiente le onde elettromagnetiche dalle regioni dell'ultravioletto profondo alle regioni del vicino infrarosso. Questa eccellente proprietà ottica lo rende un componente fondamentale dei sistemi ottici di precisione. A seconda delle diverse esigenze applicative, anche le proprietà ottiche dei tubi di vetro al quarzo possono essere adattate in modo mirato.

Attraverso una lavorazione speciale è possibile produrre tubi di vetro al quarzo con proprietà ottiche specifiche. Ad esempio, i tubi di quarzo lattiginoso ottengono una diffusione uniforme della luce attraverso strutture interne di microbolle, adatte per occasioni che richiedono un'illuminazione soffusa; aggiungendo elementi specifici è possibile produrre tubi di quarzo colorati con caratteristiche selettive di trasmissione della luce per speciali dispositivi di filtraggio ottico. Queste proprietà ottiche regolabili ampliano notevolmente la gamma di applicazioni dei tubi in vetro al quarzo.

Proprietà meccaniche ed elettriche
Sebbene tubi di vetro al quarzo hanno elevata durezza e resistenza, le loro caratteristiche fragili richiedono particolare attenzione. Questo materiale è soggetto a fessurazioni se sottoposto a urti o sollecitazioni locali, pertanto è necessaria particolare attenzione durante la manipolazione, l'installazione e l'uso. Attraverso la tecnologia del trattamento superficiale fine, i tubi di vetro al quarzo possono ottenere una finitura superficiale estremamente elevata per soddisfare i requisiti di applicazione ottica più rigorosi.

In termini di proprietà elettriche, i tubi di vetro al quarzo presentano eccellenti proprietà di isolamento. Anche a temperature elevate può mantenere buone proprietà dielettriche senza cambiamenti significativi nella conduttività. Questa proprietà isolante stabile lo rende un materiale isolante ideale per apparecchiature elettriche e componenti elettronici ad alta tensione. Allo stesso tempo, i tubi di vetro al quarzo hanno anche un'eccellente resistenza all'arco elettrico e possono essere utilizzati in sicurezza in ambienti con forti campi elettrici.

Caratteristiche superficiali e di lavorazione
Le caratteristiche della superficie e della lavorazione del tubi di vetro al quarzo consentono loro di soddisfare le esigenze di varie applicazioni di precisione. La sua superficie naturale ha un elevato grado di finitura e, dopo una lucidatura di precisione, può raggiungere una planarità quasi perfetta, soddisfacendo i severi requisiti dei componenti ottici di livello laser. La superficie dei tubi di vetro al quarzo può essere placcata con una varietà di rivestimenti speciali, come rivestimenti antiriflesso che possono aumentare significativamente la trasmittanza e rivestimenti conduttivi che possono conferirgli proprietà conduttive.

In termini di tecnologia di lavorazione, la lavorazione a caldo dei tubi di vetro al quarzo richiede temperature estremamente elevate e solitamente vengono utilizzate speciali apparecchiature a fiamma di idrogeno-ossigeno per ottenere la saldatura o la formatura a caldo; mentre la lavorazione a freddo richiede utensili diamantati per il taglio e la foratura e la lucidatura a fiamma dei bordi dopo la lavorazione per evitare che le microfessurazioni si espandano compromettendo la resistenza del materiale.

2. Processo di produzione
Il processo di produzione del tubo di vetro al quarzo è un processo altamente sofisticato che richiede un rigoroso controllo di qualità per garantire che il prodotto finale abbia prestazioni eccellenti. Gli attuali metodi di produzione tradizionali includono la trafilatura e la lavorazione dello stampaggio e ciascun processo è progettato per requisiti di prodotto diversi.

Processo di produzione della trafilatura per fusione
Essendo la tecnologia principale della produzione continua, il metodo di trafilatura della fusione ha un flusso di processo molto preciso. All'inizio della produzione, materie prime selezionate di sabbia di quarzo di elevata purezza vengono immesse in uno speciale forno ad alta temperatura. Questo forno utilizza uno speciale metodo di riscaldamento per produrre un ambiente ad altissima temperatura sufficiente a sciogliere completamente il quarzo. Durante il processo di fusione, le materie prime vengono sottoposte a una rigorosa fase di purificazione e le tracce di impurità e bolle vengono rimosse attraverso volatilizzazione ad alta temperatura e reazioni chimiche.

Il liquido di vetro di quarzo fuso entra nell'area di stampaggio, dove un preciso sistema di stampi modella il vetro liquido in una struttura tubolare. La progettazione e la fabbricazione dello stampo richiedono una precisione estremamente elevata e la sua tolleranza dimensionale è controllata entro un intervallo molto ristretto.

Durante il processo di trafilatura, il gradiente di temperatura controllato con precisione garantisce che il liquido di vetro mantenga la migliore viscosità e fluidità durante lo stampaggio. Allo stesso tempo, il sistema di trazione controllato dal computer allunga il tubo di vetro a una velocità costante e questa velocità deve essere perfettamente abbinata alla velocità di raffreddamento del liquido di vetro per garantire l'uniformità dello spessore della parete del tubo.

Dopo la formazione, il tubo di vetro al quarzo entra nel processo di ricottura, che è un passaggio fondamentale per garantire la qualità del prodotto. Il forno di ricottura adotta un design di controllo della temperatura a zone per consentire al tubo di vetro di raffreddarsi lentamente secondo la curva di temperatura preimpostata. Questo processo può eliminare efficacemente lo stress residuo all'interno del vetro ed evitare rotture o deformazioni del prodotto durante la successiva lavorazione o utilizzo. Il prodotto ricotto deve inoltre essere sottoposto a severi controlli di qualità, tra cui misurazione dimensionale, analisi delle sollecitazioni e test delle prestazioni ottiche.

Processo produttivo di lavorazione dello stampaggio
Il metodo di lavorazione dello stampaggio viene utilizzato principalmente nella produzione di prodotti in vetro al quarzo dalla forma speciale e le sue caratteristiche di processo si concentrano maggiormente sulla flessibilità e sulla precisione. Il processo utilizza come materie prime materiali di vetro al quarzo prefabbricati di alta qualità, che sono stati rigorosamente selezionati e pretrattati.

Durante la lavorazione, l'operatore utilizza apparecchiature di trattamento termico appositamente progettate per riscaldare localmente il vetro al quarzo. La temperatura di riscaldamento deve essere controllata con precisione per ottenere un rammollimento sufficiente per lo stampaggio ed evitare un riscaldamento eccessivo che danneggerebbe le proprietà del materiale. Tecnici esperti giudicheranno il momento migliore per la lavorazione osservando lo stato di flusso viscoso del vetro.

Per prodotti con forme complesse, come tubi multigomito o connettori con forme speciali, sono solitamente necessari stampi speciali per completare lo stampaggio. Il materiale dello stampo deve essere in grado di resistere alla temperatura di lavorazione del vetro al quarzo garantendo al tempo stesso la levigatezza della superficie dello stampo. In alcune occasioni di alta precisione, vengono utilizzate anche apparecchiature di lavorazione CNC assistite da computer per ottenere un controllo dello stampaggio più preciso.

Anche i prodotti dopo la lavorazione e lo stampaggio devono essere sottoposti a ricottura fine. A differenza del metodo di trafilatura per fusione, il processo di ricottura di questi prodotti dalla forma speciale spesso richiede curve di temperatura personalizzate per far fronte alle esigenze di distensione delle parti di diverso spessore. Infine, ogni prodotto deve essere sottoposto a severi controlli estetici, misurazioni dimensionali e test prestazionali per garantire che soddisfi i requisiti di utilizzo.

Il sistema di controllo della qualità di entrambi i processi comprende molteplici collegamenti come l'ispezione delle materie prime, il monitoraggio del processo e l'ispezione del prodotto finito. La moderna linea di produzione è inoltre dotata di un sistema di monitoraggio online per monitorare i parametri chiave del processo in tempo reale per garantire la stabilità del processo produttivo e la coerenza delle prestazioni del prodotto.

Attraverso questi precisi processi di produzione, i tubi di vetro al quarzo possono soddisfare i severi requisiti di prestazione dei materiali in campi di fascia alta come i semiconduttori e l'ottica.

3. Classificazione principale
Tubo in quarzo trasparente
Come il tipo più elementare, l'eccellente prestazione del trasparente tubo di vetro al quarzo proviene dal processo di produzione rigorosamente controllato. Questo tipo di tubo utilizza sabbia di quarzo di altissima purezza come materia prima e viene rimossa mediante uno speciale processo di fusione per formare una struttura amorfa altamente omogenea. La sua microstruttura è densa e uniforme e non ci sono quasi centri di diffusione della luce, quindi ha un'eccellente trasmissione ottica. Può mantenere una trasmittanza stabile in un ampio spettro, dall'ultravioletto profondo al vicino infrarosso, il che lo rende un materiale ideale per i sistemi ottici.

Nell'industria dei semiconduttori, i tubi di quarzo trasparenti sono ampiamente utilizzati come componenti chiave come i tubi dei forni a diffusione e i tubi di reazione epitassiali grazie alla loro inerzia chimica e stabilità termica. Nel campo dell'illuminazione viene utilizzato per realizzare la cavità di emissione della luce di sorgenti luminose speciali come lampade a scarica di gas ad alta pressione e lampade germicide a raggi ultravioletti. Viene spesso utilizzato come componente ottico chiave come finestre ottiche e celle campione negli strumenti di ricerca scientifica. È anche comunemente usato nelle apparecchiature mediche come componente di trasmissione ottica di strumenti come gli endoscopi.

Tubo ovale in quarzo
L'aspetto speciale del tubo di quarzo opale deriva dalla rete di bolle submicroniche distribuite uniformemente al suo interno. Queste bolle si formano controllando con precisione i parametri di processo durante il processo di fusione e le loro dimensioni e densità di distribuzione influiscono direttamente sulle proprietà ottiche del tubo. La struttura a bolle non solo produce un morbido effetto di diffusione della luce, ma riduce anche significativamente la conduttività termica del materiale, conferendogli buone proprietà di isolamento termico.

Nel campo del riscaldamento a infrarossi, i tubi di quarzo opalescenti possono disperdere uniformemente la radiazione termica ed evitare il surriscaldamento locale. Viene spesso utilizzato come tubo di protezione dell'elemento riscaldante nelle apparecchiature per la lavorazione degli alimenti, che può garantire l'efficienza del riscaldamento e impedire la combustione degli alimenti. In apparecchi di illuminazione speciali viene utilizzato per creare una sorgente luminosa superficiale uniforme e priva di abbagliamento. Alcuni strumenti analitici utilizzano anche tubi di quarzo opalescenti come camere campione per ottenere un percorso luminoso di rilevamento uniforme.

Tubi in quarzo colorato
I requisiti del processo di produzione dei tubi di quarzo colorati sono estremamente elevati ed è necessario ottenere effetti di colorazione stabili mantenendo le proprietà di base del vetro al quarzo. Il processo di colorazione utilizza solitamente un metodo di fusione ad alta temperatura per incorporare uniformemente specifici ossidi metallici nella matrice di quarzo. Coloranti diversi produrranno spettri di assorbimento caratteristici, ad esempio gli elementi di cobalto producono il blu, gli elementi di manganese producono il viola, ecc.

Questi tubi colorati non sono solo decorativi ma, cosa ancora più importante, hanno proprietà di filtraggio selettivo. Nei sistemi di illuminazione scenica, i tubi di quarzo colorati possono produrre direttamente una luce colorata specifica. Nei dispositivi sperimentali ottici può essere utilizzato come elemento filtrante per lunghezze d'onda specifiche. Alcune apparecchiature di rilevamento industriale utilizzano le sue proprietà di filtraggio anche per l'analisi spettrale. I tubi colorati appositamente formulati possono anche schermare le radiazioni nocive e vengono utilizzati nei dispositivi di protezione.

Tubi al quarzo di forma speciale
La produzione di tubi al quarzo dalla forma speciale dimostra pienamente la flessibilità della tecnologia di lavorazione del vetro al quarzo. In base ai requisiti dell'applicazione, può essere realizzato in varie forme geometriche complesse, tra cui piegature multiangolo, tubi a tre vie a forma di T, tubi di collegamento ridotti, ecc. Queste forme speciali richiedono solitamente una combinazione di più tecnologie di lavorazione, come piegatura a caldo, saldatura di precisione e lavorazione meccanica.

Nelle apparecchiature a semiconduttore, tubi di quarzo di forma speciale vengono utilizzati per costruire complessi sistemi di erogazione del gas. Nella produzione chimica, i tubi al quarzo dalla forma speciale possono soddisfare requisiti di processo impegnativi. I dispositivi sperimentali per la ricerca scientifica spesso richiedono sistemi di tubazioni in quarzo personalizzati. Alcune apparecchiature mediche utilizzano anche tubi al quarzo di forma speciale come componenti funzionali chiave.

Tubi a basso contenuto di ossidrili
La produzione di tubi di quarzo a basso contenuto di idrossile richiede uno speciale controllo del processo. Il contenuto di idrossile nel materiale può essere ridotto in modo significativo ottimizzando l'atmosfera di fusione, utilizzando la tecnologia di degasaggio sotto vuoto e utilizzando materie prime di elevata purezza. Le tecnologie più avanzate comprendono anche processi speciali come il successivo trattamento al plasma.

Nel campo della tecnologia laser, i tubi a basso contenuto di idrossile riducono notevolmente le perdite di assorbimento dell'infrarosso e sono i componenti principali dei laser ad alta potenza. Nei sistemi ottici di precisione, può ridurre la distorsione ottica causata dai gruppi idrossilici. Alcune apparecchiature speciali per sorgenti luminose richiedono anche tubi a basso contenuto di ossidrili per garantire la purezza spettrale. Nel campo delle comunicazioni in fibra ottica, viene utilizzato come materiale preformato per fibre ottiche a bassa perdita.

4. Aree di applicazione principali
Nel campo della tecnologia optoelettronica, tubi di vetro al quarzo svolgono un ruolo insostituibile. Come componente principale di sorgenti luminose speciali, è ampiamente utilizzato nella produzione di lampade a scarica di gas ad alta intensità, comprese lampade ad alogenuri metallici, lampade al sodio ad alta pressione, ecc. Queste apparecchiature di illuminazione possono raggiungere una temperatura interna di migliaia di gradi Celsius durante il funzionamento, accompagnate da forti radiazioni ultraviolette.

I tubi di vetro al quarzo sono perfettamente qualificati per la loro resistenza alle alte temperature e le proprietà anti-ultravioletti. Nell'applicazione della tecnologia ultravioletta, i tubi di vetro al quarzo sono il materiale preferito per la produzione di lampade di sterilizzazione UV, lampade di polimerizzazione ultravioletta e altre apparecchiature. La loro eccellente trasmissione ultravioletta garantisce effetti di sterilizzazione e polimerizzazione.

Il campo delle comunicazioni in fibra ottica è inseparabile dai tubi di vetro al quarzo. Come materiale di base della preforma della fibra ottica, il tubo di quarzo ad elevata purezza viene sottoposto a un complesso processo di deposizione e trafilatura per formare infine una fibra ottica che trasmette segnali ottici. Nella tecnologia laser, tubi di vetro al quarzo appositamente trattati vengono utilizzati per produrre componenti chiave come la cavità risonante e la finestra di uscita del laser. La loro eccellente uniformità ottica e stabilità termica garantiscono la qualità e la stabilità dell'uscita laser.

La produzione di semiconduttori dipende fortemente dai tubi di vetro al quarzo. I tubi di vetro al quarzo svolgono un ruolo importante in molti collegamenti chiave nella produzione di chip. Nel processo di crescita del silicio monocristallino, i crogioli di quarzo ad elevata purezza e i componenti del campo termico garantiscono un ambiente puro per la crescita dei cristalli. Nei processi ad alta temperatura come la diffusione e l'ossidazione, i tubi di vetro al quarzo vengono utilizzati come cavità di processo e condotte di erogazione del gas per resistere ai gas corrosivi e alle temperature estreme.

Nelle apparecchiature per la lavorazione dei wafer, tubi di vetro al quarzo vengono trasformati in componenti chiave come portawafer e distributori di gas di varie forme. Anche l'industria fotovoltaica utilizza un gran numero di tubi di vetro al quarzo, in particolare nei lingotti di silicio policristallino e nelle apparecchiature per la crescita del silicio monocristallino. La purezza dei tubi al quarzo influisce direttamente sull'efficienza di conversione delle celle solari. Con il continuo avanzamento dei processi produttivi dei semiconduttori, i requisiti di purezza e planarità dei tubi di vetro al quarzo stanno diventando sempre più elevati.

L'industria chimica sfrutta appieno l'eccellente stabilità chimica dei tubi di vetro al quarzo. Nel processo di trattamento di mezzi corrosivi come acidi forti e alcali forti, reattori in vetro di quarzo, scambiatori di calore e altre apparecchiature mostrano un'eccellente resistenza alla corrosione. In laboratorio, i tubi di vetro al quarzo vengono trasformati in vari dispositivi sperimentali di precisione, come celle campione per analisi spettrali, tubi di reazione ad alta temperatura, ecc., e la loro inerzia chimica garantisce l'accuratezza dei dati sperimentali.

Nel campo dei test analitici, cuvette al quarzo, prismi ottici e altri componenti garantiscono l'accuratezza della misurazione spettrale. Gli istituti di ricerca scientifica utilizzano spesso tubi di vetro al quarzo per costruire dispositivi sperimentali speciali, come finestre di osservazione ad alta temperatura, componenti di sistemi di vuoto, ecc., per soddisfare le esigenze sperimentali in condizioni estreme. L'applicazione dei tubi di vetro al quarzo in questi campi ha notevolmente ampliato le possibilità di ricerca ed esperimenti chimici.

Nel campo del riscaldamento industriale, tubi di vetro al quarzo sono ampiamente utilizzati come tubi radianti e manicotti protettivi per riscaldatori a infrarossi. La sua resistenza alle alte temperature consente alle apparecchiature di riscaldamento di funzionare stabilmente e per lungo tempo in ambienti difficili. Nelle apparecchiature di sterilizzazione medica, i contenitori di sterilizzazione realizzati con tubi di vetro al quarzo possono resistere a ripetute sterilizzazioni con vapore ad alta temperatura e alta pressione.

I componenti chiave come le finestre di osservazione e le coperture di protezione dei sensori di aerei e veicoli spaziali sono realizzati con speciali tubi di vetro al quarzo per garantire l'affidabilità in ambienti estremi. L'industria della trasformazione alimentare sfrutta le proprietà di sicurezza e non tossiche dei tubi di vetro al quarzo per applicarli a dispositivi di riscaldamento che entrano in contatto diretto con gli alimenti, come i tubi riscaldanti per le apparecchiature di cottura.