1. Цеплавое напружанне падчас астуджэння (асноўная прычына)
Плаўлены кварц стварае напружанне пры нераўнамерных тэмпературных умовах. Пры любой зададзенай тэмпературы атамная структура плаўленага кварца дасягае адносна «аптымальнай» прасторавай канфігурацыі. Па меры змены тэмпературы атамная адлегласць адпаведна змяняецца — з'ява, якую звычайна называюць цеплавым пашырэннем. Калі плаўлены кварц нераўнамерна награваецца або астуджаецца, адбываецца нераўнамернае пашырэнне.
Тэрмічнае напружанне звычайна ўзнікае, калі больш гарачыя вобласці спрабуюць пашырыцца, але стрымліваюцца навакольнымі больш халоднымі зонамі. Гэта стварае сціскальнае напружанне, якое звычайна не выклікае пашкоджанняў. Калі тэмпература дастаткова высокая, каб размякчыць шкло, напружанне можна зняць. Аднак, калі хуткасць астуджэння занадта высокая, глейкасць хутка павялічваецца, і ўнутраная атамная структура не можа своечасова прыстасавацца да зніжэння тэмпературы. Гэта прыводзіць да расцягвальнага напружання, якое значна часцей выклікае расколіны або разбурэнне.
Такое напружанне ўзмацняецца пры паніжэнні тэмпературы, дасягаючы высокіх узроўняў у канцы працэсу астуджэння. Тэмпература, пры якой кварцавае шкло дасягае глейкасці вышэй за 10^4,6 пуаз, называеццакропка дэфармацыіУ гэты момант глейкасць матэрыялу настолькі высокая, што ўнутранае напружанне эфектыўна блакуецца і больш не можа рассейвацца.
2. Напружанне ад фазавага пераходу і структурнай рэлаксацыі
Метастабільная структурная рэлаксацыя:
У расплаўленым стане плаўлены кварц мае моцна неўпарадкаваную атамную структуру. Пасля астуджэння атамы імкнуцца рэлаксаваць у бок больш стабільнай канфігурацыі. Аднак высокая глейкасць шклопадобнага стану перашкаджае руху атамаў, што прыводзіць да метастабільнай унутранай структуры і ўзнікнення рэлаксацыйнага напружання. З часам гэта напружанне можа павольна здымацца, з'ява вядомая якстарэнне шкла.
Тэндэнцыя да крышталізацыі:
Калі плаўлены кварц доўга трымаецца ў пэўных тэмпературных дыяпазонах (напрыклад, паблізу тэмпературы крышталізацыі), можа адбыцца мікракрышталізацыя, напрыклад, выпадзенне мікракрышталяў крыстабаліту. Аб'ёмная неадпаведнасць паміж крышталічнай і аморфнай фазамі ствараенапружанне фазавага пераходу.
3. Механічная нагрузка і знешняя сіла
1. Стрэс ад апрацоўкі:
Механічныя сілы, якія прымяняюцца падчас рэзання, шліфавання або паліроўкі, могуць прывесці да дэфармацыі паверхневай рашоткі і апрацоўчых напружанняў. Напрыклад, падчас рэзання шліфавальным кругам лакалізаванае цяпло і механічны ціск на краі выклікаюць канцэнтрацыю напружанняў. Няправільныя метады свідравання або нарэзкі пазаў могуць прывесці да канцэнтрацыі напружанняў у надрэзах, што служыць кропкамі пачатку расколін.
2. Напружанне ад умоў эксплуатацыі:
Пры выкарыстанні ў якасці канструкцыйнага матэрыялу плаўлены кварц можа адчуваць макрамаштабныя напружанні з-за механічных нагрузак, такіх як ціск або выгіб. Напрыклад, кварцавы посуд можа адчуваць напружанне выгібу пры ўтрыманні цяжкага змесціва.
4. Цеплавы ўдар і рэзкія ваганні тэмпературы
1. Імгненнае напружанне ад хуткага нагрэву/астуджэння:
Нягледзячы на тое, што плаўлены кварц мае вельмі нізкі каэфіцыент цеплавога пашырэння (~0,5×10⁻⁶/°C), хуткія змены тэмпературы (напрыклад, награванне ад пакаёвай тэмпературы да высокіх тэмператур або апусканне ў ледзяную ваду) усё роўна могуць выклікаць рэзкія лакальныя градыенты тэмпературы. Гэтыя градыенты прыводзяць да раптоўнага цеплавога пашырэння або сціскання, што стварае імгненнае цеплавое напружанне. Тыповым прыкладам з'яўляецца разбурэнне лабараторных кварцавых вырабаў з-за цеплавога ўдару.
2. Цыклічная цеплавая стомленасць:
Пры працяглым уздзеянні паўторных ваганняў тэмпературы, напрыклад, у футроўцы печаў або назіральных вокнах, якія працуюць пры высокіх тэмпературах, плаўлены кварц цыклічна пашыраецца і сціскаецца. Гэта прыводзіць да назапашвання напружанняў стомленасці, паскарэння старэння і рызыкі расколін.
5. Хімічна выкліканы стрэс
1. Карозія і растварэнне:
Калі плаўлены кварц кантактуе з моцнымі шчолачнымі растворамі (напрыклад, NaOH) або высокатэмпературнымі кіслымі газамі (напрыклад, HF), адбываецца павярхоўная карозія і растварэнне. Гэта парушае структурную аднастайнасць і выклікае хімічнае напружанне. Напрыклад, шчолачная карозія можа прывесці да змены аб'ёму паверхні або ўтварэння мікратрэшчыны.
2. Стрэс, выкліканы ССЗ:
Працэсы хімічнага асаджэння з паравой фазы (CVD), пры якіх пакрыцці (напрыклад, SiC) наносяцца на плаўлены кварц, могуць прывесці да ўзнікнення міжфазных напружанняў з-за розніцы ў каэфіцыентах цеплавога пашырэння або модулях пругкасці паміж двума матэрыяламі. Падчас астуджэння гэта напружанне можа выклікаць расслаенне або расколіны пакрыцця або падкладкі.
6. Унутраныя дэфекты і прымешкі
1. Бурбалкі і ўключэнні:
Рэшткавыя газавыя бурбалкі або прымешкі (напрыклад, іоны металаў або нерасплаўленыя часціцы), якія ўводзяцца падчас плаўлення, могуць служыць канцэнтратарамі напружанняў. Розніца ў цеплавым пашырэнні або пругкасці паміж гэтымі ўключэннямі і шкляной матрыцай стварае лакалізаванае ўнутранае напружанне. Расколіны часта пачынаюцца на краях гэтых дэфектаў.
2. Мікратрэшчыны і структурныя дэфекты:
Прымешкі або дэфекты ў сыравіне або ў працэсе плаўлення могуць прывесці да ўнутраных мікратрэшчынаў. Пры механічных нагрузках або цыклічных перападах тэмпературы канцэнтрацыя напружанняў на кончыках расколін можа спрыяць іх распаўсюджванню, зніжаючы цэласнасць матэрыялу.
Час публікацыі: 04 ліпеня 2025 г.