1. Hőfeszültség hűtés közben (elsődleges ok)
Az olvadt kvarc nem egyenletes hőmérsékleti viszonyok között feszültséget generál. Bármely adott hőmérsékleten az olvadt kvarc atomszerkezete viszonylag „optimális” térbeli konfigurációt ér el. A hőmérséklet változásával az atomok távolsága is ennek megfelelően eltolódik – ezt a jelenséget általában hőtágulásnak nevezik. Amikor az olvadt kvarcot egyenetlenül melegítik vagy hűtik, nem egyenletes tágulás következik be.
Hőfeszültség jellemzően akkor keletkezik, amikor a melegebb régiók megpróbálnak tágulni, de a környező hidegebb zónák korlátozzák őket. Ez nyomófeszültséget hoz létre, amely általában nem okoz károsodást. Ha a hőmérséklet kellően magas az üveg meglágyításához, a feszültség megszüntethető. Ha azonban a hűtési sebesség túl gyors, a viszkozitás gyorsan növekszik, és a belső atomszerkezet nem tud időben alkalmazkodni a csökkenő hőmérséklethez. Ez húzófeszültséget eredményez, ami sokkal valószínűbb, hogy töréseket vagy meghibásodást okoz.
Ez a feszültség a hőmérséklet csökkenésével fokozódik, és a hűtési folyamat végén magas szintet ér el. Azt a hőmérsékletet, amelyen a kvarcüveg viszkozitása eléri a 10^4,6 poise feletti értéket, a ...feszültségpontEzen a ponton az anyag viszkozitása olyan magas, hogy a belső feszültség gyakorlatilag rögzül, és már nem tud eloszlani.
2. Fázisátmenetből és szerkezeti relaxációból eredő feszültség
Metastabil szerkezeti relaxáció:
Olvadt állapotban az olvasztott kvarc erősen rendezetlen atomszerkezetet mutat. Hűtés hatására az atomok hajlamosak relaxálni egy stabilabb konfiguráció felé. Az üveges állapot magas viszkozitása azonban akadályozza az atomok mozgását, ami metastabil belső szerkezetet eredményez és relaxációs feszültséget generál. Idővel ez a feszültség lassan feloldódhat, ezt a jelenséget neveziküveg öregedés.
Kristályosodási hajlam:
Ha az olvasztott kvarcot hosszabb ideig bizonyos hőmérsékleti tartományokban (például a kristályosodási hőmérséklet közelében) tartják, mikrokristályosodás következhet be – például krisztobalit mikrokristályok kicsapódhatnak. A kristályos és az amorf fázisok közötti térfogati eltérésfázisátmeneti stressz.
3. Mechanikai terhelés és külső erő
1. A feldolgozás okozta stressz:
A vágás, csiszolás vagy polírozás során alkalmazott mechanikai erők felületi rácstorzulást és feldolgozási feszültséget okozhatnak. Például köszörűkoronggal történő vágás során a lokalizált hő és a szélén lévő mechanikai nyomás feszültségkoncentrációt okoz. A nem megfelelő fúrási vagy hornyolási technikák feszültségkoncentrációt okozhatnak a bevágásoknál, ami repedéskiindulási pontként szolgálhat.
2. Üzemeltetési körülményekből adódó igénybevétel:
Szerkezeti anyagként használva az olvasztott kvarc makroszintű feszültséget szenvedhet el mechanikai terhelések, például nyomás vagy hajlítás miatt. Például a kvarcüvegáruk hajlítófeszültséget okozhatnak nehéz tartalom tartásakor.
4. Hősokk és gyors hőmérséklet-ingadozás
1. A gyors felmelegedés/lehűlés okozta pillanatnyi feszültség:
Bár az olvasztott kvarc hőtágulási együtthatója nagyon alacsony (~0,5×10⁻⁶/°C), a gyors hőmérsékletváltozások (pl. szobahőmérsékletről magas hőmérsékletre történő melegítés vagy jeges vízbe merítés) továbbra is meredek lokális hőmérsékleti gradienst okozhatnak. Ezek a gradiensek hirtelen hőtágulást vagy összehúzódást eredményeznek, ami azonnali hőfeszültséget okoz. Gyakori példa erre a laboratóriumi kvarceszközök hősokk miatti törése.
2. Ciklikus hőfáradás:
Hosszú távú, ismétlődő hőmérséklet-ingadozásoknak kitéve – például kemencebélésekben vagy magas hőmérsékletű kémlelőablakokban – az olvasztott kvarc ciklikus tágulást és összehúzódást szenved. Ez fáradásos feszültség felhalmozódásához, az öregedés felgyorsulásához és a repedés kockázatához vezet.
5. Kémiailag indukált stressz
1. Korrózió és oldódási stressz:
Amikor az olvasztott kvarc erős lúgos oldatokkal (pl. NaOH) vagy magas hőmérsékletű savas gázokkal (pl. HF) érintkezik, felületi korrózió és oldódás következik be. Ez megzavarja a szerkezeti egyenletességet és kémiai stresszt okoz. Például az alkáli korrózió felületi térfogatváltozásokhoz vagy mikrorepedések kialakulásához vezethet.
2. Szív- és érrendszeri betegségek okozta stressz:
A kémiai gőzfázisú leválasztási (CVD) eljárások, amelyek során bevonatokat (pl. SiC-t) raknak le olvasztott kvarcra, határfelületi feszültséget okozhatnak a két anyag közötti hőtágulási együtthatók vagy rugalmassági modulusok eltérései miatt. Hűtés közben ez a feszültség a bevonat vagy az aljzat delaminációját vagy repedését okozhatja.
6. Belső hibák és szennyeződések
1. Buborékok és zárványok:
Az olvasztás során bevitt maradék gázbuborékok vagy szennyeződések (pl. fémionok vagy meg nem olvadt részecskék) feszültségkoncentrátorként szolgálhatnak. Ezen zárványok és az üvegmátrix közötti hőtágulási vagy rugalmassági különbségek lokalizált belső feszültséget hoznak létre. A repedések gyakran ezen tökéletlenségek szélein kezdődnek.
2. Mikrorepedések és szerkezeti hibák:
A nyersanyagban vagy az olvasztási folyamatból származó szennyeződések vagy hibák belső mikrorepedéseket okozhatnak. Mechanikai terhelések vagy hőciklusok hatására a repedéscsúcsokon felhalmozódó feszültség elősegítheti a repedések terjedését, csökkentve az anyag integritását.
Közzététel ideje: 2025. július 4.