1. Термично напрежение по време на охлаждане (основна причина)
Разтопеният кварц генерира напрежение при неравномерни температурни условия. При всяка дадена температура атомната структура на разтопения кварц достига относително „оптимална“ пространствена конфигурация. С промяната на температурата, атомното разстояние се измества съответно – явление, обикновено наричано термично разширение. Когато разтопеният кварц се нагрява или охлажда неравномерно, се получава неравномерно разширение.
Термичното напрежение обикновено възниква, когато по-горещите области се опитват да се разширят, но са ограничени от околните по-хладни зони. Това създава компресионно напрежение, което обикновено не причинява повреди. Ако температурата е достатъчно висока, за да омекоти стъклото, напрежението може да бъде облекчено. Ако обаче скоростта на охлаждане е твърде бърза, вискозитетът се увеличава бързо и вътрешната атомна структура не може да се адаптира навреме към намаляващата температура. Това води до опънно напрежение, което е много по-вероятно да причини пукнатини или повреда.
Такова напрежение се усилва с понижаване на температурата, достигайки високи нива в края на процеса на охлаждане. Температурата, при която кварцовото стъкло достига вискозитет над 10^4.6 поаз, се наричаточка на опъванеВ този момент вискозитетът на материала е толкова висок, че вътрешното напрежение се блокира ефективно и вече не може да се разсее.
2. Напрежение от фазов преход и структурна релаксация
Метастабилна структурна релаксация:
В разтопено състояние, разтопеният кварц показва силно неподредена атомна подредба. При охлаждане атомите са склонни да се релаксират към по-стабилна конфигурация. Високият вискозитет на стъкловидното състояние обаче възпрепятства движението на атомите, което води до метастабилна вътрешна структура и генерира релаксационно напрежение. С течение на времето това напрежение може бавно да се освободи, феномен, известен катостареене на стъклото.
Тенденция към кристализация:
Ако разтопен кварц се държи в определени температурни диапазони (например близо до температурата на кристализация) за продължителни периоди, може да възникне микрокристализация - например утаяване на микрокристали от кристобалит. Обемното несъответствие между кристалната и аморфната фаза създаванапрежение на фазовия преход.
3. Механично натоварване и външна сила
1. Стрес от обработката:
Механичните сили, прилагани по време на рязане, шлифоване или полиране, могат да доведат до изкривяване на повърхностната решетка и напрежение при обработка. Например, по време на рязане с шлифовъчно колело, локализираната топлина и механичното налягане на ръба предизвикват концентрация на напрежение. Неправилните техники при пробиване или рязане на канали могат да доведат до концентрация на напрежение в прорезите, служещи като точки на образуване на пукнатини.
2. Напрежение от условията на експлоатация:
Когато се използва като структурен материал, разтопеният кварц може да изпита макромащабно напрежение поради механични натоварвания, като например налягане или огъване. Например, кварцовите стъклени изделия могат да развият напрежение на огъване, когато държат тежко съдържание.
4. Термичен шок и бързи температурни колебания
1. Моментално напрежение от бързо нагряване/охлаждане:
Въпреки че разтопеният кварц има много нисък коефициент на термично разширение (~0,5×10⁻⁶/°C), бързите температурни промени (напр. нагряване от стайна температура до високи температури или потапяне в ледена вода) все още могат да причинят стръмни локални температурни градиенти. Тези градиенти водят до внезапно термично разширение или свиване, което създава мигновено термично напрежение. Често срещан пример е разрушаването на лабораторни кварцови изделия поради термичен шок.
2. Циклична термична умора:
Когато е изложен на дългосрочни, повтарящи се температурни колебания – например в облицовки на пещи или прозорци за наблюдение с висока температура – разтопеният кварц претърпява циклично разширяване и свиване. Това води до натрупване на напрежение от умора, ускоряване на стареенето и риск от напукване.
5. Химически индуциран стрес
1. Корозия и напрежение от разтваряне:
Когато разтопен кварц влезе в контакт със силни алкални разтвори (напр. NaOH) или високотемпературни киселинни газове (напр. HF), настъпва повърхностна корозия и разтваряне. Това нарушава структурната еднородност и предизвиква химическо напрежение. Например, алкалната корозия може да доведе до промени в обема на повърхността или образуване на микропукнатини.
2. Стрес, предизвикан от сърдечно-съдови заболявания:
Процесите на химическо отлагане от пари (CVD), които отлагат покрития (напр. SiC) върху разтопен кварц, могат да въведат междуфазово напрежение поради разликите в коефициентите на термично разширение или модулите на еластичност между двата материала. По време на охлаждане това напрежение може да причини разслояване или напукване на покритието или основата.
6. Вътрешни дефекти и примеси
1. Мехурчета и включвания:
Остатъчните газови мехурчета или примеси (напр. метални йони или неразтопени частици), въведени по време на топенето, могат да служат като концентратори на напрежение. Разликите в термичното разширение или еластичността между тези включвания и стъклената матрица създават локализирано вътрешно напрежение. Пукнатините често започват по краищата на тези несъвършенства.
2. Микропукнатини и структурни дефекти:
Примеси или дефекти в суровината или от процеса на топене могат да доведат до вътрешни микропукнатини. При механични натоварвания или термични цикли, концентрацията на напрежение във върховете на пукнатините може да насърчи разпространението им, намалявайки целостта на материала.
Време на публикуване: 04 юли 2025 г.