1. Термічний стрес під час охолодження (основна причина)
Плавлений кварц створює напругу за неоднорідних температурних умов. За будь-якої заданої температури атомна структура плавленого кварцу досягає відносно «оптимальної» просторової конфігурації. Зі зміною температури атомна відстань відповідно зміщується — явище, яке зазвичай називають тепловим розширенням. Коли плавлений кварц нерівномірно нагрівається або охолоджується, відбувається неоднорідне розширення.
Термічна напруга зазвичай виникає, коли гарячіші області намагаються розширитися, але їх обмежують навколишні холодніші зони. Це створює стискаючу напругу, яка зазвичай не призводить до пошкоджень. Якщо температура достатньо висока, щоб розм'якшити скло, напругу можна зняти. Однак, якщо швидкість охолодження занадто висока, в'язкість швидко зростає, і внутрішня атомна структура не може вчасно адаптуватися до зниження температури. Це призводить до розтягуючої напруги, яка набагато частіше спричиняє тріщини або руйнування.
Таке напруження посилюється зі зниженням температури, досягаючи високих рівнів наприкінці процесу охолодження. Температура, за якої кварцове скло досягає в'язкості вище 10^4,6 пуаз, називаєтьсяточка деформаціїУ цей момент в'язкість матеріалу настільки висока, що внутрішня напруга фактично блокується і більше не може розсіюватися.
2. Напруження від фазового переходу та структурної релаксації
Метастабільна структурна релаксація:
У розплавленому стані плавлений кварц демонструє сильно невпорядковане розташування атомів. Після охолодження атоми прагнуть релаксувати до більш стабільної конфігурації. Однак висока в'язкість склоподібного стану перешкоджає руху атомів, що призводить до метастабільної внутрішньої структури та створення релаксаційної напруги. З часом ця напруга може повільно зникати, явище, відоме якстаріння скла.
Тенденція до кристалізації:
Якщо плавлений кварц витримується в певних температурних діапазонах (наприклад, поблизу температури кристалізації) протягом тривалого часу, може відбутися мікрокристалізація, наприклад, осадження мікрокристалів кристобаліту. Об'ємна невідповідність між кристалічною та аморфною фазами створюєнапруга фазового переходу.
3. Механічне навантаження та зовнішня сила
1. Стрес від обробки:
Механічні сили, що застосовуються під час різання, шліфування або полірування, можуть призвести до спотворення поверхневої решітки та технологічних напружень. Наприклад, під час різання шліфувальним кругом локалізоване тепло та механічний тиск на кромці викликають концентрацію напружень. Неправильні методи свердління або різання пазів можуть призвести до концентрації напружень у пазах, що слугує точками початку тріщин.
2. Напруження від умов експлуатації:
При використанні як конструкційного матеріалу плавлений кварц може зазнавати макромасштабних напружень через механічні навантаження, такі як тиск або вигин. Наприклад, кварцовий посуд може виникнути напруження згину під час утримання важкого вмісту.
4. Тепловий шок та швидкі коливання температури
1. Миттєве напруження від швидкого нагрівання/охолодження:
Хоча плавлений кварц має дуже низький коефіцієнт теплового розширення (~0,5×10⁻⁶/°C), швидкі зміни температури (наприклад, нагрівання від кімнатної температури до високих або занурення в крижану воду) все ще можуть спричиняти круті локальні градієнти температури. Ці градієнти призводять до раптового теплового розширення або стиснення, що створює миттєве теплове напруження. Поширеним прикладом є розтріскування лабораторного кварцового посуду внаслідок теплового удару.
2. Циклічна термічна втома:
Під впливом тривалих, повторюваних коливань температури, таких як футеровка печей або оглядові вікна для високих температур, плавлений кварц зазнає циклічного розширення та стиснення. Це призводить до накопичення втомних напружень, прискорення старіння та ризику розтріскування.
5. Хімічно індукований стрес
1. Корозійне та розчинне напруження:
Коли плавлений кварц контактує з сильними лужними розчинами (наприклад, NaOH) або високотемпературними кислотними газами (наприклад, HF), відбувається поверхнева корозія та розчинення. Це порушує структурну однорідність та викликає хімічне напруження. Наприклад, лужна корозія може призвести до зміни об'єму поверхні або утворення мікротріщин.
2. Стрес, викликаний серцево-судинними захворюваннями:
Процеси хімічного осадження з парової фази (CVD), під час яких покриття (наприклад, SiC) наносяться на плавлений кварц, можуть створювати міжфазні напруження через різницю в коефіцієнтах теплового розширення або модулях пружності між двома матеріалами. Під час охолодження це напруження може спричинити розшарування або розтріскування покриття або підкладки.
6. Внутрішні дефекти та домішки
1. Бульбашки та включення:
Залишкові газові бульбашки або домішки (наприклад, іони металів або нерозплавлені частинки), що вводяться під час плавлення, можуть служити концентраторами напружень. Різниця в тепловому розширенні або пружності між цими включеннями та скляною матрицею створює локалізовані внутрішні напруження. Тріщини часто починаються на краях цих дефектів.
2. Мікротріщини та структурні дефекти:
Домішки або дефекти в сировині або в процесі плавлення можуть призвести до появи внутрішніх мікротріщин. Під впливом механічних навантажень або термоциклування концентрація напружень на вершинах тріщин може сприяти їх поширенню, знижуючи цілісність матеріалу.
Час публікації: 04 липня 2025 р.