1. Termisk stress under kylning (primär orsak)
Smält kvarts genererar spänningar under ojämna temperaturförhållanden. Vid en given temperatur når atomstrukturen hos smält kvarts en relativt "optimal" rumslig konfiguration. När temperaturen förändras förändras atomavståndet i enlighet därmed – ett fenomen som vanligtvis kallas termisk expansion. När smält kvarts värms eller kyls ojämnt uppstår ojämn expansion.
Termisk stress uppstår vanligtvis när varmare områden försöker expandera men begränsas av omgivande kallare zoner. Detta skapar tryckspänning, som vanligtvis inte orsakar skador. Om temperaturen är tillräckligt hög för att mjuka upp glaset kan spänningen lindras. Men om kylningshastigheten är för snabb ökar viskositeten snabbt och den inre atomstrukturen kan inte anpassa sig i tid till den minskande temperaturen. Detta resulterar i dragspänning, vilket är mycket mer sannolikt att orsaka sprickor eller fel.
Sådan stress intensifieras när temperaturen sjunker och når höga nivåer i slutet av kylningsprocessen. Temperaturen vid vilken kvartsglas når en viskositet över 10^4,6 poise kallas förtöjningspunktVid denna tidpunkt är materialets viskositet så hög att den inre spänningen effektivt låses fast och inte längre kan avledas.
2. Stress från fasövergång och strukturell relaxation
Metastabil strukturell relaxation:
I smält tillstånd uppvisar smält kvarts en mycket oordnad atomstruktur. Vid kylning tenderar atomerna att relaxera mot en mer stabil konfiguration. Emellertid hindrar den höga viskositeten i det glasartade tillståndet atomernas rörelse, vilket resulterar i en metastabil inre struktur och genererar relaxationsspänning. Med tiden kan denna spänning långsamt frigöras, ett fenomen som kallasglasåldring.
Kristallisationstendens:
Om smält kvarts hålls inom vissa temperaturintervall (t.ex. nära kristallisationstemperaturen) under längre perioder kan mikrokristallisation inträffa – till exempel utfällning av kristobalitmikrokristaller. Den volymetriska skillnaden mellan kristallina och amorfa faser skaparfasövergångsspänning.
3. Mekanisk belastning och yttre kraft
1. Stress från bearbetning:
Mekaniska krafter som appliceras under skärning, slipning eller polering kan orsaka ytgitterförvrängning och bearbetningsspänningar. Till exempel, under skärning med en slipskiva, orsakar lokal värme och mekaniskt tryck vid kanten spänningskoncentration. Felaktiga tekniker vid borrning eller spårfräsning kan leda till spänningskoncentrationer vid skåror, vilket fungerar som sprickinitieringspunkter.
2. Stress från tjänstgöringsförhållanden:
När smält kvarts används som strukturmaterial kan det utsättas för makroskalig spänning på grund av mekaniska belastningar som tryck eller böjning. Till exempel kan kvartsglas utveckla böjspänningar när det innehåller tunga föremål.
4. Termisk chock och snabba temperaturfluktuationer
1. Momentan spänning från snabb uppvärmning/kylning:
Även om smält kvarts har en mycket låg värmeutvidgningskoefficient (~0,5×10⁻⁶/°C), kan snabba temperaturförändringar (t.ex. uppvärmning från rumstemperatur till höga temperaturer eller nedsänkning i isvatten) fortfarande orsaka branta lokala temperaturgradienter. Dessa gradienter resulterar i plötslig värmeutvidgning eller sammandragning, vilket producerar omedelbar termisk stress. Ett vanligt exempel är sprickbildning i laboratoriekvarts på grund av termisk chock.
2. Cyklisk termisk utmattning:
När smält kvarts utsätts för långvariga, upprepade temperaturfluktuationer – såsom i ugnsbeklädnader eller högtemperaturfönster – utvidgas och krymper det cykliskt. Detta leder till ackumulering av utmattningsspänningar, vilket accelererar åldring och risk för sprickbildning.
5. Kemiskt inducerad stress
1. Korrosions- och upplösningsspänning:
När smält kvarts kommer i kontakt med starka alkaliska lösningar (t.ex. NaOH) eller sura gaser med hög temperatur (t.ex. HF) uppstår ytkorrosion och upplösning. Detta stör den strukturella enhetligheten och orsakar kemisk stress. Alkalikorrosion kan till exempel leda till förändringar i ytvolymen eller bildandet av mikrosprickor.
2. Hjärt-kärlsjukdomsinducerad stress:
Kemisk ångdeponering (CVD)-processer som avsätter beläggningar (t.ex. SiC) på smält kvarts kan orsaka gränsytspänningar på grund av skillnader i värmeutvidgningskoefficienter eller elasticitetsmoduler mellan de två materialen. Under kylning kan denna spänning orsaka delaminering eller sprickbildning i beläggningen eller substratet.
6. Interna defekter och föroreningar
1. Bubblor och inneslutningar:
Kvarvarande gasbubblor eller föroreningar (t.ex. metalljoner eller osmälta partiklar) som introduceras under smältningen kan fungera som spänningskoncentratorer. Skillnader i termisk expansion eller elasticitet mellan dessa inneslutningar och glasmatrisen skapar lokal inre spänning. Sprickor börjar ofta vid kanterna av dessa defekter.
2. Mikrosprickor och strukturella brister:
Föroreningar eller defekter i råmaterialet eller från smältprocessen kan resultera i interna mikrosprickor. Under mekaniska belastningar eller termiska cykler kan spänningskoncentration vid sprickspetsarna främja sprickutbredning, vilket minskar materialets integritet.
Publiceringstid: 4 juli 2025