1. Estresse térmico durante o resfriamento (causa primária)
O quartzo fundido gera tensões sob condições de temperatura não uniformes. A qualquer temperatura, a estrutura atômica do quartzo fundido atinge uma configuração espacial relativamente "ótima". À medida que a temperatura muda, o espaçamento atômico se desloca de acordo — um fenômeno comumente conhecido como expansão térmica. Quando o quartzo fundido é aquecido ou resfriado de forma desigual, ocorre expansão não uniforme.
O estresse térmico normalmente surge quando regiões mais quentes tentam se expandir, mas são restringidas pelas zonas mais frias circundantes. Isso cria um estresse compressivo, que geralmente não causa danos. Se a temperatura for suficientemente alta para amolecer o vidro, o estresse pode ser aliviado. 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 estresse de tração, que tem muito mais probabilidade de causar fraturas ou falhas.
Esse estresse se intensifica com a queda da temperatura, 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 chamada deponto de tensão. Nesse ponto, a viscosidade do material é tão alta que o estresse interno fica efetivamente bloqueado e não consegue mais se dissipar.
2. Estresse da Transição de Fase e Relaxamento Estrutural
Relaxamento Estrutural Metaestável:
No estado fundido, o quartzo fundido apresenta 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 de Cristalização:
Se o quartzo fundido for mantido em determinadas faixas de temperatura (como próximo à temperatura de cristalização) por longos períodos, pode ocorrer microcristalização — por exemplo, a precipitação de microcristais de cristobalita. A incompatibilidade volumétrica entre as fases cristalina e amorfa criaestresse de transição de fase.
3. Carga Mecânica e Força Externa
1. Estresse do Processamento:
Forças mecânicas aplicadas durante o corte, retificação ou polimento podem introduzir distorção da estrutura da superfície e tensões de processamento. Por exemplo, durante o corte com um rebolo, o calor localizado e a pressão mecânica na aresta induzem concentração de tensões. Técnicas inadequadas de perfuração ou abertura de ranhuras podem levar à concentração de tensões nos entalhes, servindo como pontos de início de trincas.
2. Estresse das condições de serviço:
Quando usado como material estrutural, o quartzo fundido pode sofrer tensões em macroescala devido a cargas mecânicas, como pressão ou flexão. Por exemplo, vidraria de quartzo pode sofrer tensões de flexão ao conter materiais pesados.
4. Choque térmico e flutuação rápida de temperatura
1. Estresse instantâneo devido ao aquecimento/resfriamento rápido:
Embora o quartzo fundido tenha um coeficiente de expansão térmica muito baixo (~0,5×10⁻⁶/°C), mudanças bruscas de temperatura (por exemplo, aquecimento da temperatura ambiente para altas temperaturas ou imersão em água gelada) ainda podem causar gradientes acentuados de temperatura local. Esses gradientes resultam em expansão ou contração térmica repentina, produzindo estresse térmico instantâneo. Um exemplo comum é a fratura de peças de quartzo de laboratório devido a choque térmico.
2. Fadiga Térmica Cíclica:
Quando exposto a flutuações de temperatura repetidas e prolongadas — 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 tensões de fadiga, acelerando o envelhecimento e o risco de rachaduras.
5. Estresse induzido quimicamente
1. Tensão de corrosão e dissolução:
Quando o quartzo fundido entra em contato com soluções alcalinas fortes (p. ex., NaOH) ou gases ácidos de alta temperatura (p. ex., HF), ocorrem corrosão e dissolução da superfície. Isso perturba a uniformidade estrutural e induz estresse químico. Por exemplo, a corrosão alcalina pode levar a alterações no volume da superfície ou à formação de microfissuras.
2. Estresse induzido por DCV:
Os processos de Deposição Química de Vapor (CVD) que depositam revestimentos (por exemplo, SiC) sobre quartzo fundido podem introduzir tensões interfaciais devido a diferenças nos coeficientes de expansão térmica ou módulos de elasticidade entre os dois materiais. Durante o resfriamento, essa tensão pode causar delaminação ou rachaduras no revestimento ou substrato.
6. Defeitos internos e impurezas
1. Bolhas e inclusões:
Bolhas de gás residuais ou impurezas (por exemplo, íons metálicos ou partículas não derretidas) introduzidas durante a fusão podem atuar como concentradores de tensões. Diferenças na expansão térmica ou elasticidade entre essas inclusões e a matriz vítrea criam tensões internas localizadas. As fissuras frequentemente se iniciam nas bordas dessas imperfeições.
2. Microfissuras e falhas estruturais:
Impurezas ou falhas na matéria-prima ou no processo de fusão podem resultar em microfissuras internas. Sob cargas mecânicas ou ciclos térmicos, a concentração de tensões nas pontas das trincas pode promover a propagação das mesmas, reduzindo a integridade do material.
Horário da publicação: 04/07/2025