Как развивается напряжение в кварцевых материалах?

1. Термическое напряжение при охлаждении (основная причина)

Кварцевое стекло испытывает внутреннее напряжение при воздействии неоднородных температур. При любой заданной температуре кварцевое стекло имеет определенную атомную структуру, которая наиболее «подходит» или стабильна в этих термических условиях. Расстояние между атомами меняется с температурой — это известно как тепловое расширение. Когда кварцевое стекло испытывает неравномерный нагрев или охлаждение, происходит дифференциальное расширение.

Напряжение обычно возникает, когда более горячие области пытаются расшириться, но сдерживаются окружающими более холодными областями. Это приводит к напряжению сжатия, которое обычно не повреждает продукт. Если температура достаточно высока, чтобы размягчить кварцевое стекло, напряжение может быть снято. Однако, если процесс охлаждения слишком быстрый, вязкость материала увеличивается слишком быстро, и атомная структура не успевает приспособиться к падению температуры. Это приводит к образованию растягивающего напряжения, которое с большей вероятностью вызовет структурные повреждения.

Напряжение прогрессивно увеличивается по мере падения температуры и может достигать высоких уровней после завершения охлаждения. Фактически, когда вязкость кварцевого стекла превышает 10^4.6 пуаз, температура называется точкой деформации — на этой стадии вязкость слишком высока для релаксации напряжения.

Нормально>Деформировано>

2. Напряжение от фазового перехода и структурной релаксации

• Метастабильная структурная релаксация: В расплавленном состоянии кварц имеет сильно разупорядоченное расположение атомов. Во время охлаждения атомы пытаются перейти к более стабильной конфигурации. Однако из-за высокой вязкости стеклообразного состояния движение атомов ограничено, оставляя структуру в метастабильном состоянии. Это генерирует релаксационное напряжение, которое может медленно высвобождаться с течением времени (как наблюдается в явлении старения в стеклах).

• Тенденция к микроскопической кристаллизации: Если расплавленный кварц выдерживается в определенных диапазонах температур (например, вблизи температуры девитрификации), может произойти микроскопическая кристаллизация (например, осаждение микрокристаллов кристобалита). Несоответствие объемов между кристаллическими и аморфными фазами может вызвать напряжение фазового перехода.

3. Внешние нагрузки и механические воздействия

1) Напряжение, вызванное при механической обработке

Механическая обработка, такая как резка, шлифовка и полировка, может привести к искажению поверхностной решетки, что приводит к напряжению при механической обработке. Например, резка шлифовальным кругом генерирует локальное тепло и механическое давление на краю, что приводит к концентрации напряжения. Неправильные методы при сверлении или нарезке пазов могут создавать надрезы, которые действуют как места зарождения трещин.

2) Нагрузочное напряжение в рабочих средах

При использовании в качестве конструкционного материала плавленый кварц может выдерживать механические нагрузки, такие как давление или изгиб, создавая макроскопическое напряжение. Например, кварцевые контейнеры, содержащие тяжелые вещества, испытывают напряжение изгиба.

4. Термический удар и резкие перепады температуры

1) Мгновенное напряжение от быстрого нагрева или охлаждения

Хотя плавленый кварц имеет чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения (~0,5×10⁻⁶/°C), быстрые перепады температуры (например, нагрев от комнатной температуры до высоких температур или погружение в ледяную воду) могут привести к локальному тепловому расширению или сжатию, вызывая мгновенное термическое напряжение. Лабораторная посуда из кварца может разрушиться при таких тепловых ударах.

2) Циклические колебания температуры

В условиях долгосрочных циклических термических воздействий (например, футеровки печей или высокотемпературные оптические окна) повторное тепловое расширение и сжатие могут накапливать усталостное напряжение, ускоряя старение материала и образование трещин.

5. Химические эффекты и связь напряжений

1) Коррозия и напряжение растворения

Когда плавленый кварц вступает в контакт с сильными щелочными растворами (например, NaOH) или высокотемпературными кислыми газами (например, HF), его поверхность может подвергаться химической коррозии или растворению, нарушая структурную однородность и вызывая химическое напряжение. Щелочная атака может вызвать изменения объема поверхности или образование микротрещинам.

2) Напряжение, вызванное CVD

В процессах химического осаждения из паровой фазы (CVD) покрытие кварца такими материалами, как SiC, может вызывать межфазное напряжение из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения или модулей упругости между пленкой и подложкой. При охлаждении такое напряжение может вызвать расслоение пленки или растрескивание подложки.

6. Внутренние дефекты и примеси

1) Пузырьки и встроенные примеси

Во время плавления остаточные пузырьки газа или примеси (например, ионы металлов или нерасплавленные частицы) могут попасть в ловушку в плавленом кварце. Разница в физических свойствах (например, коэффициент теплового расширения или модуль) между этими включениями и окружающим стеклом может привести к локальной концентрации напряжения, увеличивая риск образования трещин вокруг пузырьков под нагрузкой.

2) Микротрещины и структурные дефекты

Примеси в сырье или дефекты плавления могут привести к микротрещинам в кварце. При воздействии внешних нагрузок или колебаний температуры концентрация напряжения на кончиках трещин может усилиться, ускоряя распространение трещин и, в конечном итоге, ставя под угрозу целостность материала.

Наша продукция

​