تحلیل جامع تشکیل تنش در کوارتز ذوبی: مکانیسم‌ها و عوامل مؤثر

تجزیه و تحلیل جامع تشکیل استرس در کوارتز ذوب شده: مکانیسم ها و عوامل موثر

کوارتز ذوب شده، با توجه به خواص فوق العاده حرارتی و نوری، به طور گسترده ای در کاربردهای دقیق استفاده می شود.مسائل مربوط به استرس در طول تولید و عمر خدمت می تواند عملکرد و قابلیت اطمینان آن را به خطر بیندازداین مقاله بررسی مفصل از مکانیسم های مختلف ایجاد استرس در کوارتز ذوب شده با تمرکز بر عوامل حرارتی، ساختاری، مکانیکی و شیمیایی را ارائه می دهد.

1فشار حرارتی در طول خنک شدن (مکانیزم اصلی)

کوارتز ذوب شده به گرادیانت های حرارتی بسیار حساس است در هر دمای معین ساختار اتمی آن یک پیکربندی را اتخاذ می کند که از نظر انرژی بهینه استتغییر فاصله اتمی یک پدیده شناخته شده به عنوان گسترش حرارتیهنگامی که توزیع دمای نامناسب است، مناطق مواد با سرعت های مختلف گسترش می یابند یا انقباض می شوند، که منجر به استرس داخلی می شود.

این استرس معمولاً بافشار فشرده سازی، جایی که مناطق داغتر تلاش می کنند گسترش یابند اما توسط مناطق سردتر مجاور محدود می شوند. چنین فشاری به طور کلی باعث آسیب نمی شود.نقطه نرم شدن، اتم ها می توانند تنظیم شوند، و استرس می تواند از بین برود.

با این حال، در طول خنک شدن سریع، لزوم کوارتز ذوب شده به شدت افزایش می یابد. ساختار اتمی نمی تواند به سرعت به اندازه کافی برای پذیرفتن حجم کاهش یابد، که منجر بهفشار کششی، که بسیار آسیب پذیرتر است و مستعد ایجاد ترک ها یا خرابی ساختاری است.

با کاهش درجه حرارت، استرس افزایش می یابد.نقطه کشش(که در آن لزگی بیش از 104.6 poise است) ، ساختار شیشه ای سفت می شود و هر گونه استرس موجود "برخیز شده" و برگشت ناپذیر می شود.

2استرس ناشی از انتقال فاز و آرامش ساختاری

آرامش ساختاری متاستابیل:
در حالت ذوب، کوارتز ذوب شده یک ساختار اتمی نامنظم را نشان می دهد. در حالی که خنک می شود، اتم ها تلاش می کنند تا در یک ترتیب پایدارتر قرار بگیرند.لزگی بالای حالت شیشه ای مانع این فرآیند می شود.، که منجر بهساختار متاستابیلاین باعث ایجاد استرس داخلی می شود که ممکن است به تدریج در طول زمان آزاد شود.آرامش ساختارییا "پیری" در شیشه.

استرس ناشی از کریستالیزاسیون:
اگر مواد در نزدیکیدمای دویتریفیکیشنبرای دوره های طولانیمیکرو کریستالیزاسیونممکن است رخ دهد (به عنوان مثال تشکیل میکروکریستال های کریستوبالیت). تفاوت حجم بین فاز های بلوری و آمورف باعث می شودفشار انتقال فاز، که ممکن است به صورت خشکی سطح، میکروشکافها یا حتی از هم جدا شدن ظاهر شود.

3فشار ناشی از بارهای مکانیکی و پردازش

استرس ناشی از پردازش:
در طول فرآیندهای ماشینکاری مانند برش، آسیاب، یا پولیش، نیروهای مکانیکی ممکن است شبکه سطحی را تحریف کنند، ایجادفشارهای مکانیکی باقیماندهبه عنوان مثال، خرد کردن با یک چرخ باعث تولید گرما و فشار محلی می شود که استرس را در لبه برش متمرکز می کند. تکنیک های نامناسب در طول حفاری یا سوراخ کردن می تواند منجر به افزایش فشار شود.فشار ناشی از شکاف، که به عنوان نقطه شروع برای ترک ها عمل می کنند.

استرس در طول استفاده:
به عنوان یک ماده ساختاری، کوارتز ذوب شده اغلب بار مکانیکی (به عنوان مثال وزن، تنش یا خم شدن) را تحمل می کند.فشارهای کلانبه عنوان مثال، ظروف کوارتزی که حاوی مواد سنگین هستند، استرس خم شدن را تجربه می کنند که ممکن است در طول زمان تجمع یابد و منجر به خستگی یا تغییر شکل شود.

4شوک حرارتی و تغییرات سریع دما

استرس لحظه ای از تغییرات ناگهانی دما:
در حالی که کوارتز ذوب شده دارای یک ضریب گسترش حرارتی استثنایی است (~ 0.5 × 10-6 / ° C) ، هنوز هم در معرض آسیب پذیری استشوک حرارتیوقتی که در معرض تغییرات ناگهانی در دمای هوا قرار می گیرند.سناریوهای مانند گرم شدن ناگهانی یا غوطه ور شدن در آب سرد باعث تغییرات شدید در درجه حرارت می شود و باعث می شود مناطق شیشه به سرعت گسترش یا انقباض یابندکه منجر بهفشار حرارتی لحظه ایاین یک حالت شکست رایج در ظروف شیشه ای آزمایشگاهی است.

خستگی حرارتی چرخه ای:
در کاربردهایی که در معرض نوسانات دمایی قرار دارند (به عنوان مثال، پوشش کوره یا پنجره های با دمای بالا) ، چرخه های مکرر گسترش و انقباض باعث می شودفشار خستگی حرارتیبا گذشت زمان، این منجر به پیری مواد، ریز شکستن و شکست نهایی می شود.

5فشار و واکنش های ناشی از مواد شیمیایی

فشار ناشی از خوردگی:
قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی تهاجمی مانند قلیات قوی (به عنوان مثال، NaOH) یا اسیدهای با دمای بالا (به عنوان مثال، HF) سطح کوارتز ذوب شده را خورد می کند.استرس شیمیاییبه عنوان مثال، حمله قلیایی می تواند منجر به خشکی سطح یا تشکیل میکروشکاف شود، که باعث تضعیف قدرت مکانیکی می شود.

فشار رابطي ناشی از بیماری قلبی:
هنگامی که یک ماده پوشش (مانند SiC) بر روی کوارتز ذوب شده از طریقرسوب بخار شیمیایی (CVD)، تفاوت درضریب گسترش حرارتیوماژول های لاستیکیبین بستر و فیلم ایجادفشار بین چهرهدر هنگام خنک شدن، این استرس می تواند باعث از هم پاشیدن پوشش یا شکستگی بستر کوارتز شود.

6نقص های داخلی و ناخالصی ها

حباب ها و گنجینه ها:
حباب های گازی گیر افتاده یا گنجینه های نرد (به عنوان مثال، یون های فلزی یا ذرات بلوری) ممکن است در کوارتز در طول فرآیند ذوب باقی بمانند.اين اجسام غريبه در خواص حرارتي و ميكانيكي از متريكس شيشه اي تفاوت دارند، ایجاد مناطقغلظت استرس محلیتحت بار مکانیکی، ترک ها اغلب در این مرزهای نقص آغاز می شوند.

شکاف های کوچک و نقص های ساختاری:
ناخالصی ها یا عدم ثبات ذوب می تواند منجر بهمیکروشکافدر ساختار داخلی، هنگامی که ماده تحت فشار خارجی یا چرخه های حرارتی قرار می گیرد، نوک این میکروشکاف ها به نقاط محوری برای غلظت فشار تبدیل می شوند.سرعت گسترش ترک و کاهش دوام کلی مواد.

نتیجه گیری
تشکیل استرس در کوارتز ذوب شده یک تعامل پیچیده از گرادیانت های حرارتی، انتقال های ساختاری، نیروهای مکانیکی، واکنش های شیمیایی و نقایص داخلی است.درک این مکانیسم ها برای بهینه سازی فرآیندهای تولیدی ضروری است، بهبود عملکرد مواد و افزایش عمر اجزای مبتنی بر کوارتز.