1. Estrés térmico durante el enfriamiento (causa principal)
El cuarzo fundido genera tensiones bajo condiciones de temperatura no uniformes. A una temperatura dada, la estructura atómica del cuarzo fundido alcanza una configuración espacial relativamente óptima. Al variar la temperatura, la distancia entre los átomos se modifica en consecuencia, un fenómeno conocido como dilatación térmica. Cuando el cuarzo fundido se calienta o enfría de forma desigual, se produce una dilatación no uniforme.
La tensión térmica suele surgir cuando las regiones más calientes intentan expandirse, pero se ven limitadas por las zonas más frías circundantes. Esto crea una tensión de compresión, que generalmente no causa daños. Si la temperatura es lo suficientemente alta como para ablandar el vidrio, la tensión puede aliviarse. Sin embargo, si la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida, la viscosidad aumenta rápidamente y la estructura atómica interna no puede ajustarse a tiempo a la disminución de la temperatura. Esto produce una tensión de tracción, que tiene mucha más probabilidad de causar fracturas o roturas.
Dicha tensión se intensifica a medida que la temperatura desciende, alcanzando niveles elevados al final del proceso de enfriamiento. La temperatura a la que el vidrio de cuarzo alcanza una viscosidad superior a 10⁴,⁶ poise se denomina temperatura de transición vítrea.punto de tensiónEn este punto, la viscosidad del material es tan alta que la tensión interna queda efectivamente atrapada y ya no puede disiparse.
2. Tensión derivada de la transición de fase y la relajación estructural
Relajación estructural metaestable:
En estado fundido, el cuarzo fundido presenta una disposición atómica altamente desordenada. Al enfriarse, los átomos tienden a relajarse hacia una configuración más estable. Sin embargo, la alta viscosidad del estado vítreo dificulta el movimiento atómico, lo que da como resultado una estructura interna metaestable y genera tensión de relajación. Con el tiempo, esta tensión puede liberarse lentamente, un fenómeno conocido como relajación termodinámica.envejecimiento del vidrio.
Tendencia a la cristalización:
Si el cuarzo fundido se mantiene dentro de ciertos rangos de temperatura (como cerca de la temperatura de cristalización) durante períodos prolongados, puede producirse microcristalización; por ejemplo, la precipitación de microcristales de cristobalita. El desajuste volumétrico entre las fases cristalina y amorfa creatensión de transición de fase.
3. Carga mecánica y fuerza externa
1. Estrés derivado del procesamiento:
Las fuerzas mecánicas aplicadas durante el corte, el rectificado o el pulido pueden introducir distorsiones en la estructura superficial y tensiones de procesamiento. Por ejemplo, durante el corte con una muela abrasiva, el calor localizado y la presión mecánica en el filo inducen una concentración de tensiones. Las técnicas inadecuadas de taladrado o ranurado pueden provocar concentraciones de tensiones en las muescas, que actúan como puntos de inicio de grietas.
2. Estrés derivado de las condiciones de servicio:
Cuando se utiliza como material estructural, el cuarzo fundido puede experimentar tensiones a macroescala debido a cargas mecánicas como la presión o la flexión. Por ejemplo, la cristalería de cuarzo puede sufrir tensiones de flexión al contener objetos pesados.
4. Choque térmico y fluctuación rápida de temperatura
1. Estrés instantáneo por calentamiento/enfriamiento rápido:
Aunque el cuarzo fundido tiene un coeficiente de dilatación térmica muy bajo (aproximadamente 0,5 × 10⁻⁶/°C), los cambios bruscos de temperatura (por ejemplo, el calentamiento desde temperatura ambiente hasta altas temperaturas o la inmersión en agua helada) pueden provocar fuertes gradientes de temperatura locales. Estos gradientes dan lugar a una dilatación o contracción térmica repentina, lo que produce tensiones térmicas instantáneas. Un ejemplo común es la fractura de material de cuarzo de laboratorio debido al choque térmico.
2. Fatiga térmica cíclica:
Cuando se expone a fluctuaciones de temperatura repetidas y prolongadas —como en los revestimientos de hornos o en ventanas de observación de altas temperaturas— el cuarzo fundido sufre una expansión y contracción cíclicas. Esto provoca la acumulación de tensiones por fatiga, acelerando el envejecimiento y el riesgo de fisuras.
5. Estrés inducido químicamente
1. Estrés por corrosión y disolución:
Cuando el cuarzo fundido entra en contacto con soluciones alcalinas fuertes (p. ej., NaOH) o gases ácidos a alta temperatura (p. ej., HF), se produce corrosión y disolución superficial. Esto altera la uniformidad estructural e induce tensiones químicas. Por ejemplo, la corrosión alcalina puede provocar cambios en el volumen superficial o la formación de microfisuras.
2. Estrés inducido por ECV:
Los procesos de deposición química de vapor (CVD) que depositan recubrimientos (p. ej., SiC) sobre cuarzo fundido pueden generar tensiones interfaciales debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica o los módulos elásticos entre ambos materiales. Durante el enfriamiento, estas tensiones pueden provocar la delaminación o el agrietamiento del recubrimiento o del sustrato.
6. Defectos internos e impurezas
1. Burbujas e inclusiones:
Las burbujas de gas residuales o las impurezas (por ejemplo, iones metálicos o partículas sin fundir) introducidas durante la fusión pueden actuar como concentradores de tensión. Las diferencias en la dilatación térmica o la elasticidad entre estas inclusiones y la matriz vítrea generan tensiones internas localizadas. Las grietas suelen iniciarse en los bordes de estas imperfecciones.
2. Microfisuras y defectos estructurales:
Las impurezas o defectos en la materia prima o derivados del proceso de fusión pueden provocar microfisuras internas. Bajo cargas mecánicas o ciclos térmicos, la concentración de tensiones en las puntas de las fisuras puede favorecer su propagación, reduciendo la integridad del material.
Fecha de publicación: 4 de julio de 2025