1. Naprężenie termiczne podczas chłodzenia (główna przyczyna)
Topiony kwarc generuje naprężenia w nierównomiernych warunkach temperaturowych. W dowolnej temperaturze struktura atomowa topionego kwarcu osiąga względnie „optymalną” konfigurację przestrzenną. Wraz ze zmianą temperatury odpowiednio zmienia się odstęp między atomami — zjawisko powszechnie nazywane rozszerzalnością cieplną. Gdy topiony kwarc jest nierównomiernie ogrzewany lub chłodzony, występuje nierównomierna ekspansja.
Naprężenie termiczne zwykle powstaje, gdy cieplejsze obszary próbują się rozszerzyć, ale są ograniczone przez otaczające chłodniejsze strefy. Powoduje to naprężenie ściskające, które zwykle nie powoduje uszkodzeń. Jeśli temperatura jest wystarczająco wysoka, aby zmiękczyć szkło, naprężenie można złagodzić. Jednak jeśli tempo chłodzenia jest zbyt szybkie, lepkość gwałtownie wzrasta, a wewnętrzna struktura atomowa nie może dostosować się na czas do spadającej temperatury. Powoduje to naprężenie rozciągające, które znacznie częściej powoduje pęknięcia lub awarie.
Takie naprężenie nasila się wraz ze spadkiem temperatury, osiągając wysokie poziomy pod koniec procesu chłodzenia. Temperaturę, w której szkło kwarcowe osiąga lepkość powyżej 10^4,6 puazów, określa się jakopunkt naprężeniaW tym momencie lepkość materiału jest tak wysoka, że naprężenia wewnętrzne zostają skutecznie zablokowane i nie mogą już się rozproszyć.
2. Naprężenie wynikające z przemiany fazowej i relaksacji strukturalnej
Relaksacja strukturalna metastabilna:
W stanie stopionym kwarc stopiony wykazuje wysoce nieuporządkowany układ atomowy. Po ochłodzeniu atomy mają tendencję do relaksacji w kierunku bardziej stabilnej konfiguracji. Jednak wysoka lepkość stanu szklistego utrudnia ruch atomów, co skutkuje metastabilną strukturą wewnętrzną i generuje naprężenie relaksacyjne. Z czasem naprężenie to może być powoli uwalniane, zjawisko znane jakostarzenie się szkła.
Tendencja do krystalizacji:
Jeśli stopiony kwarc jest utrzymywany w pewnych zakresach temperatur (takich jak temperatura krystalizacji) przez dłuższy czas, może wystąpić mikrokrystalizacja — na przykład wytrącanie się mikrokryształów krystobalitu. Niedopasowanie objętościowe między fazą krystaliczną i amorficzną powodujenaprężenie przejścia fazowego.
3. Obciążenie mechaniczne i siła zewnętrzna
1. Stres spowodowany przetwarzaniem:
Siły mechaniczne stosowane podczas cięcia, szlifowania lub polerowania mogą wprowadzać zniekształcenie sieci powierzchniowej i naprężenia obróbkowe. Na przykład podczas cięcia za pomocą tarczy szlifierskiej zlokalizowane ciepło i nacisk mechaniczny na krawędzi powodują koncentrację naprężeń. Niewłaściwe techniki wiercenia lub nacinania mogą prowadzić do koncentracji naprężeń w karbach, które służą jako punkty inicjacji pęknięć.
2. Stres wynikający z warunków pracy:
Gdy jest stosowany jako materiał konstrukcyjny, kwarc topiony może podlegać naprężeniom makroskalowym z powodu obciążeń mechanicznych, takich jak nacisk lub zginanie. Na przykład szkło kwarcowe może wykazywać naprężenia zginające podczas trzymania ciężkich zawartości.
4. Wstrząs termiczny i szybkie wahania temperatury
1. Natychmiastowe naprężenie spowodowane szybkim nagrzewaniem/chłodzeniem:
Chociaż stopiony kwarc ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (~0,5×10⁻⁶/°C), szybkie zmiany temperatury (np. podgrzanie z temperatury pokojowej do wysokiej temperatury lub zanurzenie w lodowatej wodzie) mogą nadal powodować strome lokalne gradienty temperatury. Gradienty te powodują nagłe rozszerzanie się lub kurczenie cieplne, powodując natychmiastowe naprężenie cieplne. Typowym przykładem jest pękanie laboratoryjnych naczyń kwarcowych z powodu szoku termicznego.
2. Cykliczne zmęczenie cieplne:
Pod wpływem długotrwałych, powtarzających się wahań temperatury — takich jak w wyściółkach pieców lub oknach obserwacyjnych o wysokiej temperaturze — kwarc topiony ulega cyklicznemu rozszerzaniu i kurczeniu. Prowadzi to do gromadzenia się naprężeń zmęczeniowych, przyspieszając starzenie i ryzyko pękania.
5. Stres wywołany chemicznie
1. Korozja i naprężenie rozpuszczające:
Gdy stopiony kwarc wchodzi w kontakt z silnymi roztworami alkalicznymi (np. NaOH) lub wysokotemperaturowymi kwaśnymi gazami (np. HF), następuje korozja powierzchni i rozpuszczenie. Zaburza to jednorodność strukturalną i wywołuje naprężenie chemiczne. Na przykład korozja alkaliczna może prowadzić do zmian objętości powierzchni lub powstawania mikropęknięć.
2. Naprężenie wywołane chorobami układu krążenia (CVD):
Procesy chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), które osadzają powłoki (np. SiC) na stopionym kwarcu, mogą wprowadzać naprężenia międzyfazowe z powodu różnic współczynników rozszerzalności cieplnej lub modułów sprężystości między dwoma materiałami. Podczas chłodzenia naprężenia te mogą powodować rozwarstwienie lub pękanie powłoki lub podłoża.
6. Wady wewnętrzne i zanieczyszczenia
1. Pęcherzyki i inkluzje:
Resztkowe pęcherzyki gazu lub zanieczyszczenia (np. jony metali lub niestopione cząstki) wprowadzone podczas topienia mogą służyć jako koncentratory naprężeń. Różnice w rozszerzalności cieplnej lub elastyczności między tymi wtrąceniami a matrycą szklaną powodują lokalne naprężenia wewnętrzne. Pęknięcia często inicjują się na krawędziach tych niedoskonałości.
2. Mikropęknięcia i wady konstrukcyjne:
Zanieczyszczenia lub wady surowca lub procesu topienia mogą powodować wewnętrzne mikropęknięcia. Pod obciążeniami mechanicznymi lub cyklami cieplnymi koncentracja naprężeń na końcach pęknięć może sprzyjać rozprzestrzenianiu się pęknięć, zmniejszając integralność materiału.
Czas publikacji: 04-07-2025