1. Estresse térmico durante o resfriamento (causa principal)
O quartzo fundido gera tensão sob condições de temperatura não uniforme. A uma dada temperatura, a estrutura atômica do quartzo fundido atinge uma configuração espacial relativamente "ótima". À medida que a temperatura muda, o espaçamento atômico se altera correspondentemente — um fenômeno comumente conhecido como expansão térmica. Quando o quartzo fundido é aquecido ou resfriado de forma desigual, ocorre expansão não uniforme.
A tensão térmica geralmente surge quando regiões mais quentes tentam se expandir, mas são restringidas por zonas mais frias ao redor. Isso cria uma tensão compressiva, que normalmente não causa danos. Se a temperatura for suficientemente alta para amolecer o vidro, a tensão pode ser aliviada. No entanto, se a taxa de resfriamento for muito rápida, a viscosidade aumenta rapidamente e a estrutura atômica interna não consegue se ajustar a tempo à diminuição da temperatura. Isso resulta em tensão de tração, que é muito mais propensa a causar fraturas ou falhas.
Essa tensão se intensifica à medida que a temperatura cai, atingindo níveis elevados ao final do processo de resfriamento. A temperatura na qual o vidro de quartzo atinge uma viscosidade acima de 10^4,6 poise é denominada deponto de tensãoNesse ponto, a viscosidade do material é tão alta que a tensão interna fica efetivamente retida e não consegue mais se dissipar.
2. Tensão resultante da transição de fase e do relaxamento estrutural
Relaxamento estrutural metaestável:
No estado fundido, o quartzo fundido exibe um arranjo atômico altamente desordenado. Ao resfriar, os átomos tendem a relaxar em direção a uma configuração mais estável. No entanto, a alta viscosidade do estado vítreo dificulta o movimento atômico, resultando em uma estrutura interna metaestável e gerando tensão de relaxamento. Com o tempo, essa tensão pode ser liberada lentamente, um fenômeno conhecido comoenvelhecimento do vidro.
Tendência à cristalização:
Se o quartzo fundido for mantido em determinadas faixas de temperatura (como perto da temperatura de cristalização) por períodos prolongados, pode ocorrer microcristalização — por exemplo, a precipitação de microcristais de cristobalita. A diferença volumétrica entre as fases cristalina e amorfa criatensão de transição de fase.
3. Carga Mecânica e Força Externa
1. Estresse decorrente do processamento:
As forças mecânicas aplicadas durante o corte, retificação ou polimento podem introduzir distorções na estrutura cristalina da superfície e tensões de processamento. Por exemplo, durante o corte com um rebolo, o calor localizado e a pressão mecânica na aresta induzem a concentração de tensões. Técnicas inadequadas de furação ou ranhuramento podem levar à concentração de tensões em entalhes, que servem como pontos de iniciação de trincas.
2. Estresse decorrente das condições de trabalho:
Quando usado como material estrutural, o quartzo fundido pode sofrer tensões em macroescala devido a cargas mecânicas, como pressão ou flexão. Por exemplo, utensílios de vidro de quartzo podem desenvolver tensões de flexão ao suportarem conteúdos pesados.
4. Choque térmico e flutuação rápida de temperatura
1. Estresse instantâneo causado por aquecimento/resfriamento rápido:
Embora o quartzo fundido tenha um coeficiente de expansão térmica muito baixo (~0,5×10⁻⁶/°C), mudanças rápidas de temperatura (por exemplo, aquecimento da temperatura ambiente para altas temperaturas ou imersão em água gelada) ainda podem causar gradientes de temperatura locais acentuados. Esses gradientes resultam em expansão ou contração térmica repentina, produzindo tensão térmica instantânea. Um exemplo comum é a fratura de utensílios de quartzo em laboratório devido ao choque térmico.
2. Fadiga Térmica Cíclica:
Quando exposto a flutuações de temperatura repetidas e de longo prazo — como em revestimentos de fornos ou janelas de visualização de alta temperatura — o quartzo fundido sofre expansão e contração cíclicas. Isso leva ao acúmulo de tensão por fadiga, acelerando o envelhecimento e aumentando o risco de fissuras.
5. Estresse induzido quimicamente
1. Tensão de corrosão e dissolução:
Quando o quartzo fundido entra em contato com soluções alcalinas fortes (por exemplo, NaOH) ou gases ácidos em alta temperatura (por exemplo, HF), ocorre corrosão e dissolução da superfície. Isso interrompe a uniformidade estrutural e induz tensão química. Por exemplo, a corrosão alcalina pode levar a alterações no volume da superfície ou à formação de microfissuras.
2. Estresse induzido por doenças cardiovasculares:
Os processos de deposição química de vapor (CVD) que depositam revestimentos (por exemplo, SiC) sobre quartzo fundido podem introduzir tensões interfaciais devido às diferenças nos coeficientes de expansão térmica ou nos módulos de elasticidade entre os dois materiais. Durante o resfriamento, essa tensão pode causar delaminação ou fissuração do revestimento ou do substrato.
6. Defeitos e impurezas internas
1. Bolhas e inclusões:
Bolhas de gás residual ou impurezas (por exemplo, íons metálicos ou partículas não fundidas) introduzidas durante a fusão podem atuar como concentradores de tensão. Diferenças na expansão térmica ou na elasticidade entre essas inclusões e a matriz vítrea criam tensões internas localizadas. Rachaduras frequentemente se iniciam nas bordas dessas imperfeições.
2. Microfissuras e falhas estruturais:
Impurezas ou defeitos na matéria-prima ou no processo de fusão podem resultar em microfissuras internas. Sob cargas mecânicas ou ciclos térmicos, a concentração de tensão nas pontas das fissuras pode promover a propagação das mesmas, reduzindo a integridade do material.
Data da publicação: 04/07/2025