1. Тепловое напряжение при охлаждении (основная причина)
Плавленый кварц создает напряжения в условиях неравномерного распределения температур. При любой заданной температуре атомная структура плавленого кварца достигает относительно «оптимальной» пространственной конфигурации. С изменением температуры расстояние между атомами соответственно смещается — явление, обычно называемое тепловым расширением. При неравномерном нагреве или охлаждении плавленого кварца 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 приводит к повреждению. Если температура достаточно высока для размягчения стекла, напряжение можно снять. Однако, если скорость охлаждения слишком высокая, вязкость быстро увеличивается, и внутренняя атомная структура не успевает адаптироваться к снижению температуры. Это приводит к растягивающему напряжению, которое с гораздо большей вероятностью может привести к трещинам или разрушению.
Эти напряжения усиливаются с понижением температуры, достигая пика к концу 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 неупорядоченную атомную структуру. При охлаждении атомы стремятся к более стабильной конфигурации. Однако высокая вязкость стеклообразного состояния препятствует движению атомов, что приводит к образованию метастабильной внутренней структуры и появлению релаксационных напряжений. Со временем эти напряжения могут постепенно сниматься, что называетсястарение стекла.
Тенденция к кристаллизации:
Если плавленый кварц длительное время находится в определённом температурном диапазоне (например, вблизи температуры кристаллизации), может произойти микрокристаллизация, например, выделение микрокристаллов кристобалита. Несоответствие объёмов кристаллической и аморфной фаз создаётнапряжение фазового перехода.
3. Механическая нагрузка и внешняя сила
1. Стресс от обработки:
Механические силы, прилагаемые при резке, шлифовке или полировке, могут вызывать искажение кристаллической решетки поверхности и возникновение технологических напряжений. Например, при резке шлифовальным кругом локальный нагрев и механическое давление на кромку вызывают концентрацию напряжений. Неправильные методы сверления или прорезки пазов могут привести к концентрации напряжений в надрезах, служащих точками зарождения трещин.
2. Напряжение от условий эксплуатации:
При использовании в качестве конструкционного материала плавленый кварц может испытывать макромасштабные напряжения, возникающие вследствие механических нагрузок, таких как давление или изгиб. Например, изделия из кварцевого стекла могут испытывать изгибающие напряжения при хранении тяжёлых предметов.
4. Тепловой 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), резкие перепады температуры (например, нагревание от комнатной температуры до высоких температур или погружение в ледяную воду) могут вызывать резкие локальные температурные градиенты. Эти градиенты приводят к внезапному тепловому расширению или сжатию, создавая мгновенное термическое напряжение. Типичным примером является разрушение лабораторной кварцевой посуды вследствие теплового удара.
2. Циклическая термическая усталость:
При длительном воздействии повторяющихся температурных колебаний, 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 концентрированными щелочными растворами (например, NaOH) или высокотемпературными кислыми газами (например, HF) происходит поверхностная коррозия и растворение. Это нарушает структурную однородность и вызывает химические напряжения. Например, щелочная коррозия может привести к изменению объёма поверхности или образованию микротрещин.
2. Стресс, вызванный сердечно-сосудистыми заболеваниями:
Процессы химического осаждения из газовой фазы (CVD), при которых покрытия (например, SiC) наносятся на плавленый кварц, могут создавать межфазные напряжения из-за разницы в коэффициентах теплового расширения или модулях упругости двух материалов. При охлаждении эти напряжения могут привести к отслоению или растрескиванию покрытия или подложки.
6. Внутренние дефекты и примеси
1. Пузыри и включения:
Остаточные газовые пузырьки или примеси (например, ионы металлов или нерасплавленные частицы), попавшие в процессе плавления, могут служить концентраторами напряжений. Различия в тепловом расширении или упругости этих включений и стеклянной матрицы создают локальные внутренние напряжения. Трещины часто зарождаются на краях этих дефектов.
2. Микротрещины и структурные дефекты:
Примеси или дефекты в исходном материале или в процессе плавки могут привести к появлению внутренних микротрещин. Под воздействием механических нагрузок или термоциклирования концентрация напряжений в вершинах трещин может способствовать их распространению, снижая целостность материала.
Время публикации: 04 июля 2025 г.