1. Термическое напряжение при охлаждении (основная причина)
Плавленый кварц создает напряжение в условиях неравномерной температуры. При любой заданной температуре атомная структура плавленого кварца достигает относительно «оптимальной» пространственной конфигурации. При изменении температуры атомное расстояние соответственно смещается — явление, обычно называемое тепловым расширением. Когда плавленый кварц неравномерно нагревается или охлаждается, происходит неравномерное расширение.
Тепловое напряжение обычно возникает, когда более горячие области пытаются расшириться, но ограничены окружающими более холодными зонами. Это создает сжимающее напряжение, которое обычно не вызывает повреждений. Если температура достаточно высока, чтобы размягчить стекло, напряжение может быть снято. Однако, если скорость охлаждения слишком высокая, вязкость быстро увеличивается, и внутренняя атомная структура не может вовремя приспособиться к уменьшающейся температуре. Это приводит к растягивающему напряжению, которое с гораздо большей вероятностью вызовет трещины или отказ.
Такое напряжение усиливается по мере падения температуры, достигая высоких значений в конце процесса охлаждения. Температура, при которой кварцевое стекло достигает вязкости выше 10^4,6 пуаз, называетсяточка деформации. В этот момент вязкость материала настолько высока, что внутреннее напряжение фактически блокируется и больше не может рассеиваться.
2. Напряжение от фазового перехода и структурной релаксации
Метастабильная структурная релаксация:
В расплавленном состоянии плавленый кварц демонстрирует крайне неупорядоченное расположение атомов. При охлаждении атомы имеют тенденцию релаксировать в сторону более стабильной конфигурации. Однако высокая вязкость стеклообразного состояния препятствует движению атомов, что приводит к метастабильной внутренней структуре и созданию релаксационного напряжения. Со временем это напряжение может медленно сниматься, явление, известное какстарение стекла.
Тенденция к кристаллизации:
Если плавленый кварц выдерживается в определенных температурных диапазонах (например, вблизи температуры кристаллизации) в течение длительного времени, может произойти микрокристаллизация, например, осаждение микрокристаллов кристобалита. Объемное несоответствие между кристаллической и аморфной фазами создаетнапряжение фазового перехода.
3. Механическая нагрузка и внешняя сила
1. Стресс от обработки:
Механические силы, применяемые во время резки, шлифовки или полировки, могут вызывать искажение решетки поверхности и технологическое напряжение. Например, во время резки шлифовальным кругом локализованное тепло и механическое давление на кромке вызывают концентрацию напряжений. Неправильные методы сверления или прорезания пазов могут привести к концентрации напряжений в надрезах, которые служат точками зарождения трещин.
2. Напряжение от условий эксплуатации:
При использовании в качестве конструкционного материала плавленый кварц может испытывать макромасштабное напряжение из-за механических нагрузок, таких как давление или изгиб. Например, кварцевое стекло может испытывать изгибающее напряжение при удерживании тяжелого содержимого.
4. Термический шок и резкие колебания температуры
1. Мгновенное напряжение от быстрого нагрева/охлаждения:
Хотя плавленый кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (~0,5×10⁻⁶/°C), быстрые изменения температуры (например, нагревание от комнатной температуры до высоких температур или погружение в ледяную воду) все еще могут вызывать крутые локальные градиенты температуры. Эти градиенты приводят к внезапному тепловому расширению или сжатию, создавая мгновенное тепловое напряжение. Типичным примером является разрушение лабораторной кварцевой посуды из-за теплового удара.
2. Циклическая термическая усталость:
При длительном воздействии повторяющихся колебаний температуры, например, в футеровке печей или высокотемпературных смотровых окнах, плавленый кварц подвергается циклическому расширению и сжатию. Это приводит к накоплению усталостных напряжений, ускорению старения и риску растрескивания.
5. Химически вызванный стресс
1. Коррозия и растворение:
При контакте плавленого кварца с сильными щелочными растворами (например, NaOH) или высокотемпературными кислотными газами (например, HF) происходит поверхностная коррозия и растворение. Это нарушает структурную однородность и вызывает химическое напряжение. Например, щелочная коррозия может привести к изменению объема поверхности или образованию микротрещин.
2. Стресс, вызванный сердечно-сосудистыми заболеваниями:
Процессы химического осаждения из паровой фазы (CVD), при которых покрытия (например, SiC) наносятся на плавленый кварц, могут вызывать межфазное напряжение из-за различий в коэффициентах теплового расширения или модулях упругости между двумя материалами. Во время охлаждения это напряжение может вызвать расслоение или растрескивание покрытия или подложки.
6. Внутренние дефекты и примеси
1. Пузыри и включения:
Остаточные газовые пузырьки или примеси (например, металлические ионы или нерасплавленные частицы), введенные во время плавления, могут служить концентраторами напряжений. Различия в тепловом расширении или эластичности между этими включениями и стеклянной матрицей создают локализованное внутреннее напряжение. Трещины часто возникают на краях этих дефектов.
2. Микротрещины и структурные дефекты:
Примеси или дефекты в сырье или в процессе плавления могут привести к внутренним микротрещинам. При механических нагрузках или термических циклах концентрация напряжений в вершинах трещин может способствовать распространению трещин, что снижает целостность материала.
Время публикации: 04-07-2025