1. Naprężenie termiczne podczas chłodzenia (przyczyna główna)
Topiony kwarc generuje naprężenia w nierównomiernych warunkach temperaturowych. W danej temperaturze struktura atomowa topionego kwarcu osiąga względnie „optymalną” konfigurację przestrzenną. Wraz ze zmianą temperatury, odstępy między atomami ulegają odpowiedniemu przesunięciu – zjawisko to powszechnie nazywane jest rozszerzalnością cieplną. Nierównomierne nagrzewanie lub chłodzenie topionego kwarcu powoduje nierównomierną rozszerzalność.
Naprężenia termiczne zazwyczaj powstają, gdy cieplejsze obszary próbują się rozszerzać, ale są ograniczane przez otaczające je chłodniejsze strefy. Powoduje to naprężenia ściskające, które zazwyczaj nie powodują uszkodzeń. Jeśli temperatura jest wystarczająco wysoka, aby zmiękczyć szkło, naprężenia te można zmniejszyć. Jednak zbyt szybkie chłodzenie powoduje gwałtowny wzrost lepkości, a wewnętrzna struktura atomowa nie może na czas dostosować się do spadającej temperatury. Powoduje to naprężenia rozciągające, które znacznie częściej prowadzą do pęknięć lub uszkodzeń.
Naprężenie to nasila się wraz ze spadkiem temperatury, osiągając wysoki poziom pod koniec procesu chłodzenia. Temperatura, w której szkło kwarcowe osiąga lepkość powyżej 10^4,6 puazów, nazywana jest temperaturąpunkt odkształceniaW tym momencie lepkość materiału jest tak wysoka, że naprężenia wewnętrzne zostają skutecznie zablokowane i nie mogą już ulec rozproszeniu.
2. Naprężenie wynikające z przemiany fazowej i relaksacji strukturalnej
Metastabilna relaksacja strukturalna:
W stanie stopionym kwarc stopiony charakteryzuje się wysoce nieuporządkowanym układem atomów. 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 naprężenia relaksacyjne. Z czasem naprężenia te mogą być stopniowo uwalniane, co jest zjawiskiem znanym jakostarzenie szkła.
Tendencja do krystalizacji:
Jeśli stopiony kwarc jest utrzymywany w określonych zakresach temperatur (np. zbliżonych do temperatury krystalizacji) przez dłuższy czas, może wystąpić mikrokrystalizacja – na przykład wytrącanie się mikrokryształów krystobalitu. Niedopasowanie objętościowe między fazą krystaliczną a amorficzną powodujenaprężenie przejścia fazowego.
3. Obciążenie mechaniczne i siła zewnętrzna
1. Stres związany z przetwarzaniem:
Siły mechaniczne działające podczas cięcia, szlifowania lub polerowania mogą powodować odkształcenia sieci krystalicznej powierzchni i naprężenia obróbkowe. Na przykład, podczas cięcia ściernicą, lokalne ciepło i nacisk mechaniczny na krawędzi powodują koncentrację naprężeń. Niewłaściwe techniki wiercenia lub dłutowania mogą prowadzić do koncentracji naprężeń w karbach, stanowiących punkty inicjacji pęknięć.
2. Stres wynikający z warunków świadczenia usług:
Zastosowany jako materiał konstrukcyjny, kwarc topiony może podlegać naprężeniom w skali makro pod wpływem obciążeń mechanicznych, takich jak nacisk czy zginanie. Na przykład, naczynia ze szkła kwarcowego mogą ulegać naprężeniom zginającym podczas przechowywania ciężkich przedmiotów.
4. Szok termiczny i szybkie wahania temperatury
1. Natychmiastowe naprężenie spowodowane szybkim nagrzewaniem/chłodzeniem:
Chociaż topiony kwarc ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (~0,5×10⁻⁶/°C), gwałtowne zmiany temperatury (np. podgrzanie z temperatury pokojowej do wysokiej lub zanurzenie w lodowatej wodzie) mogą powodować gwałtowne lokalne gradienty temperatury. Gradienty te powodują nagłe rozszerzanie lub kurczenie się termiczne, wywołując natychmiastowe naprężenia termiczne. Typowym przykładem jest pękanie laboratoryjnych naczyń kwarcowych w wyniku szoku termicznego.
2. Cykliczne zmęczenie cieplne:
Pod wpływem długotrwałych, powtarzających się wahań temperatury – na przykład w wyściółkach pieców lub w okienkach obserwacyjnych o wysokiej temperaturze – kwarc topiony ulega cyklicznemu rozszerzaniu i kurczeniu. Prowadzi to do kumulacji naprężeń zmęczeniowych, przyspieszając starzenie i zwiększając ryzyko pękania.
5. Stres wywołany chemicznie
1. Korozja i naprężenia rozpuszczające:
W kontakcie stopionego kwarcu z silnie alkalicznymi roztworami (np. NaOH) lub kwaśnymi gazami o wysokiej temperaturze (np. HF) następuje korozja powierzchniowa i rozpuszczenie. Zaburza to jednorodność strukturalną i wywołuje naprężenia chemiczne. Na przykład, korozja alkaliczna może prowadzić do zmian objętości powierzchni lub powstawania mikropęknięć.
2. Naprężenie wywołane chorobami układu krążenia:
Procesy chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), polegające na osadzaniu powłok (np. SiC) na stopionym kwarcu, mogą wprowadzać naprężenia międzyfazowe z powodu różnic współczynników rozszerzalności cieplnej lub modułów sprężystości między tymi 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 sprężystości między tymi wtrąceniami a matrycą szklaną powodują lokalne naprężenia wewnętrzne. Pęknięcia często pojawiają się na krawędziach tych niedoskonałości.
2. Mikropęknięcia i wady konstrukcyjne:
Zanieczyszczenia lub wady surowca lub powstałe w procesie topienia mogą powodować powstawanie wewnętrznych mikropęknięć. Pod wpływem obciążeń mechanicznych lub cykli termicznych, koncentracja naprężeń na końcach pęknięć może sprzyjać ich rozprzestrzenianiu się, zmniejszając integralność materiału.
Czas publikacji: 04-07-2025