Il tubo al quarzo (tubo di vetro al quarzo) è uno speciale materiale di vetro costituito da biossido di silicio (SiO ₂) di elevata purezza, che presenta una serie di eccellenti proprietà fisiche, chimiche e ottiche. Pertanto, è ampiamente utilizzato nell'industria, nella ricerca scientifica, nei semiconduttori, nell'ottica, nell'ingegneria chimica, nelle fonti di luce elettrica e in altri campi. Rispetto al normale vetro, metallo, plastica o altri materiali ceramici, i tubi al quarzo presentano vantaggi significativi sotto molti aspetti.

1. Prestazioni di resistenza alle alte temperature

Una delle caratteristiche più importanti dei tubi al quarzo è la loro resistenza alle temperature estremamente elevate. Rispetto al normale vetro, alla plastica e alla maggior parte dei materiali metallici, i tubi al quarzo possono mantenere la stabilità a temperature più elevate.  

-Alto punto di fusione: il punto di rammollimento del tubo al quarzo è di circa 1650 °C, con un punto di fusione fino a 1723 °C, molto più alto del vetro normale (circa 600-800 °C) e della maggior parte dei metalli (come alluminio 660 °C, rame 1085 °C).  

-Temperatura di utilizzo a lungo termine: i tubi al quarzo possono essere utilizzati a lungo a 1200 ° C, mentre il vetro normale si ammorbidisce o addirittura si scioglie a questa temperatura.  

-Stabilità allo shock termico: i tubi di quarzo hanno un coefficiente di espansione estremamente basso (circa 5,5 × 10 ⁻⁷/° C) e possono resistere a drastici cambiamenti di temperatura (come un rapido raffreddamento da 1000 ° C a temperatura ambiente senza rompersi), mentre il vetro comune o i materiali ceramici sono soggetti a crepe durante i rapidi cambiamenti di temperatura.  

Al contrario, sebbene i materiali metallici siano resistenti alle alte temperature, sono soggetti ad ossidazione o deformazione alle alte temperature; Materie plastiche come PTFE e PEEK di solito possono essere utilizzate solo a temperature inferiori a 260 ° C, molto inferiori alla resistenza alla temperatura dei tubi al quarzo.

2. Stabilità chimica

I tubi al quarzo hanno un'inerzia chimica estremamente forte e reagiscono difficilmente con la maggior parte degli acidi, delle basi e dei solventi, rendendoli più vantaggiosi rispetto ai metalli e al vetro comune in ambienti corrosivi.  

-Resistenza agli acidi: ad eccezione dell'acido fluoridrico (HF) e dell'acido fosforico caldo, i tubi al quarzo possono quasi resistere alla corrosione di tutti gli acidi organici e inorganici.  

-Resistenza agli alcali: sebbene gli alcali forti come NaOH e KOH possano corrodere leggermente i tubi di quarzo ad alte temperature, la loro resistenza agli alcali è comunque migliore di quella del vetro normale.  

-Resistenza ai solventi: i tubi al quarzo non reagiscono con solventi organici come acetone, etanolo, benzene, ecc., mentre alcune plastiche come PVC e PP possono essere disciolte o gonfiate dai solventi organici.  

Al contrario, i materiali metallici come l'acciaio inossidabile e l'alluminio sono soggetti a corrosione in ambienti fortemente acidi o alcalini, mentre il vetro ordinario come il vetro sodo-calcico è suscettibile alla corrosione in condizioni alcaline.

3. Prestazioni ottiche

I tubi al quarzo hanno un'eccellente trasparenza ottica, soprattutto nelle gamme spettrali dell'ultravioletto (UV) e dell'infrarosso (IR), che li rendono insostituibili nelle applicazioni ottiche e optoelettroniche.  

-Trasmittanza UV: i tubi al quarzo hanno un'elevata trasmittanza (>90%) nell'intervallo di lunghezze d'onda da 185 nm a 2500 nm, mentre il vetro normale (come il vetro borosilicato) è quasi opaco nella regione degli ultravioletti (<300 nm).  

-Trasparenza degli infrarossi: i tubi al quarzo mantengono una buona trasparenza nella regione del vicino infrarosso (700-2500 nm), rendendoli adatti per applicazioni come laser e riscaldamento a infrarossi.  

-Basso effetto di fluorescenza: i tubi al quarzo ad alta purezza non hanno quasi alcuna interferenza di fluorescenza e sono adatti per strumenti ottici di precisione come spettrometri e laser.  

Al contrario, le plastiche come PMMA e PC tendono a invecchiare e ingiallire sotto la luce ultravioletta, il vetro comune ha una scarsa trasparenza nella regione degli ultravioletti e i metalli sono completamente opachi.

4. Stabilità termica e bassa dilatazione termica

Il coefficiente di dilatazione termica del tubo al quarzo è estremamente basso (circa 5,5 × 10 ⁻⁷/° C), molto inferiore a quello del vetro comune (circa 9 × 10 ⁻⁶/° C) e dei metalli (come l'alluminio 23 × 10 ⁻⁶/° C), il che lo rende adatto a funzionare bene in ambienti con drastici sbalzi di temperatura.  

-Resistenza agli shock termici: i tubi al quarzo possono resistere a un rapido raffreddamento da 1000 ° C a temperatura ambiente senza rompersi, rendendoli adatti per applicazioni come la produzione di semiconduttori e reattori ad alta temperatura.  

-Stabilità dimensionale: i tubi di quarzo difficilmente si deformano alle alte temperature, mentre i metalli o la plastica tendono ad espandersi o ad ammorbidirsi alle alte temperature.  

Al contrario, i normali materiali in vetro o ceramica sono soggetti a fessurazioni dovute allo stress termico durante rapidi cambiamenti di temperatura, mentre i materiali metallici possono subire deformazioni strutturali a causa della dilatazione termica.

5. Prestazioni di isolamento elettrico

Il tubo al quarzo è un eccellente materiale isolante elettrico, con resistività elettrica e rigidità dielettrica molto più elevate rispetto al normale vetro e plastica.  

- Resistività di volume: A temperatura ambiente, la resistività dei tubi di quarzo può raggiungere fino a 10 ⊃1;⁶Ω· cm, molto superiore a quella del vetro comune (10 ⊃1;⊃2; -10 ⊃1;⁴Ω· cm).  

-Rigidità dielettrica: la rigidità dielettrica dei tubi al quarzo è di circa 30-40 kV/mm, adatta per applicazioni di isolamento ad alta tensione come apparecchiature a semiconduttore e tubi a vuoto.  

-Bassa perdita dielettrica: anche in ambienti ad alta temperatura o ad alta frequenza, la perdita dielettrica dei tubi al quarzo è estremamente bassa, rendendoli adatti per applicazioni a microonde e radiofrequenza.  

I metalli, invece, sono conduttori e non possono essere utilizzati come materiali isolanti; Sebbene le materie plastiche abbiano buone proprietà isolanti, sono soggette a invecchiamento o decomposizione alle alte temperature.

6. Proprietà meccaniche

Sebbene i tubi di quarzo siano materiali fragili, hanno elevata durezza e resistenza alla compressione, che li rendono adatti ad ambienti ad alto stress.  

-Durezza: la durezza Mohs del tubo al quarzo è 7, paragonabile al cristallo di quarzo e più resistente ai graffi rispetto al vetro normale (5,5).  

-Resistenza alla compressione: la resistenza alla compressione del tubo al quarzo arriva fino a 1100 MPa, molto superiore a quella del vetro normale (circa 500 MPa).  

-Leggero: la densità dei tubi di quarzo (2,2 g/cm ⊃3;) è inferiore a quella dei metalli (come acciaio 7,8 g/cm ⊃3;, alluminio 2,7 g/cm ⊃3;), rendendoli adatti per applicazioni che richiedono leggerezza.  

Al contrario, la plastica ha una durezza inferiore ed è soggetta a usura; Sebbene il metallo abbia un'elevata resistenza, è relativamente pesante.

7. Purezza e pulizia

I tubi al quarzo ad elevata purezza (come quelli per semiconduttori) hanno un contenuto di impurità estremamente basso (<1 ppm) e sono adatti per le industrie che richiedono una pulizia estremamente elevata.  

-Produzione di semiconduttori: i tubi al quarzo vengono utilizzati per la lavorazione dei wafer, forni a diffusione, reattori CVD e non introducono contaminazione metallica.  

-Medicina e biotecnologia: i tubi al quarzo possono essere utilizzati nelle apparecchiature farmaceutiche per evitare la contaminazione chimica.  

-Tecnologia del vuoto: i tubi al quarzo hanno velocità di rilascio del gas estremamente basse e sono adatti per sistemi ad alto vuoto.  

Al contrario, i materiali metallici possono rilasciare tracce di ioni metallici, mentre la plastica può rilasciare composti organici volatili (COV).

I tubi al quarzo sono diventati un materiale insostituibile in molte applicazioni di fascia alta grazie alla loro resistenza alle alte temperature, inerzia chimica, eccellenti proprietà ottiche, bassa dilatazione termica, elevato isolamento elettrico ed elevata purezza. Nonostante il costo elevato e la fragilità, i tubi di quarzo sono ancora il materiale preferito in campi quali semiconduttori, ottica, prodotti chimici e fonti di luce elettrica. Al contrario, il normale vetro, metallo e plastica possono presentare vantaggi in termini di costi in determinati ambienti specifici, ma a temperature estreme, ambienti corrosivi o applicazioni ottiche ad alta precisione, le prestazioni complete dei tubi al quarzo superano di gran lunga altri materiali.  

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