1. Termisk stress under avkjøling (primærårsak)
Smeltet kvarts genererer spenning under ikke-ensartede temperaturforhold. Ved en gitt temperatur når atomstrukturen til smeltet kvarts en relativt "optimal" romlig konfigurasjon. Når temperaturen endres, endres atomavstanden tilsvarende – et fenomen som ofte kalles termisk ekspansjon. Når smeltet kvarts varmes opp eller avkjøles ujevnt, oppstår ikke-ensartet ekspansjon.
Termisk stress oppstår vanligvis når varmere områder prøver å utvide seg, men er begrenset av omkringliggende kaldere soner. Dette skaper trykkspenning, som vanligvis ikke forårsaker skade. Hvis temperaturen er tilstrekkelig høy til å myke opp glasset, kan spenningen lettes. Men hvis avkjølingshastigheten er for rask, øker viskositeten raskt, og den indre atomstrukturen kan ikke tilpasse seg i tide til den synkende temperaturen. Dette resulterer i strekkspenning, som er mye mer sannsynlig å forårsake brudd eller brudd.
Slik spenning intensiveres når temperaturen synker, og når høye nivåer på slutten av avkjølingsprosessen. Temperaturen der kvartsglass når en viskositet over 10^4,6 poise kallestøyningspunktPå dette tidspunktet er materialets viskositet så høy at den indre spenningen blir effektivt låst inne og ikke lenger kan forsvinne.
2. Stress fra faseovergang og strukturell avslapning
Metastabil strukturell avslapning:
I smeltet tilstand viser smeltet kvarts en svært uordnet atomstruktur. Ved avkjøling har atomene en tendens til å slappe av mot en mer stabil konfigurasjon. Den høye viskositeten i den glassaktige tilstanden hindrer imidlertid atombevegelse, noe som resulterer i en metastabil indre struktur og genererer relaksasjonsspenning. Over tid kan denne spenningen sakte frigjøres, et fenomen kjent somglassaldring.
Krystalliseringstendens:
Hvis smeltet kvarts holdes innenfor visse temperaturområder (for eksempel nær krystalliseringstemperaturen) over lengre perioder, kan mikrokrystallisering forekomme – for eksempel utfelling av kristobalitt-mikrokrystaller. Den volumetriske uoverensstemmelsen mellom krystallinske og amorfe faser skaperfaseovergangsstress.
3. Mekanisk belastning og ytre kraft
1. Stress fra prosessering:
Mekaniske krefter som påføres under skjæring, sliping eller polering kan føre til forvrengning av overflategitteret og bearbeidingsspenninger. For eksempel, under skjæring med en slipeskive, induserer lokalisert varme og mekanisk trykk på kanten spenningskonsentrasjon. Feil teknikker ved boring eller sporing kan føre til spenningskonsentrasjoner i hakk, som fungerer som sprekkeinitieringspunkter.
2. Stress fra tjenesteforhold:
Når det brukes som et strukturelt materiale, kan smeltet kvarts oppleve makroskala belastninger på grunn av mekaniske belastninger som trykk eller bøying. For eksempel kan kvartsglass utvikle bøyespenninger når det holder tungt innhold.
4. Termisk sjokk og raske temperatursvingninger
1. Øyeblikkelig stress fra rask oppvarming/avkjøling:
Selv om smeltet kvarts har en svært lav termisk utvidelseskoeffisient (~0,5 × 10⁻⁶/°C), kan raske temperaturendringer (f.eks. oppvarming fra romtemperatur til høye temperaturer eller nedsenking i isvann) fortsatt forårsake bratte lokale temperaturgradienter. Disse gradientene resulterer i plutselig termisk utvidelse eller sammentrekning, noe som gir øyeblikkelig termisk spenning. Et vanlig eksempel er brudd i laboratoriekvarts på grunn av termisk sjokk.
2. Syklisk termisk utmattelse:
Når smeltet kvarts utsettes for langvarige, gjentatte temperatursvingninger – som i ovnsforinger eller høytemperaturvinduer – gjennomgår det syklisk utvidelse og sammentrekning. Dette fører til akkumulering av utmattingsspenninger, akselererende aldring og risiko for sprekkdannelser.
5. Kjemisk indusert stress
1. Korrosjons- og oppløsningsstress:
Når smeltet kvarts kommer i kontakt med sterke alkaliske løsninger (f.eks. NaOH) eller sure gasser med høy temperatur (f.eks. HF), oppstår overflatekorrosjon og oppløsning. Dette forstyrrer strukturell ensartethet og induserer kjemisk stress. For eksempel kan alkalikorrosjon føre til endringer i overflatevolum eller dannelse av mikrosprekker.
2. Stress forårsaket av hjerte- og karsykdommer:
Kjemisk dampavsetning (CVD)-prosesser som avsetter belegg (f.eks. SiC) på smeltet kvarts kan introdusere grenseflatespenning på grunn av forskjeller i termiske ekspansjonskoeffisienter eller elastisitetsmoduler mellom de to materialene. Under avkjøling kan denne spenningen forårsake delaminering eller sprekkdannelser i belegget eller underlaget.
6. Interne defekter og urenheter
1. Bobler og inneslutninger:
Resterende gassbobler eller urenheter (f.eks. metallioner eller usmeltede partikler) som introduseres under smeltingen kan tjene som spenningskonsentratorer. Forskjeller i termisk ekspansjon eller elastisitet mellom disse inneslutningene og glassmatrisen skaper lokalisert indre spenning. Sprekker starter ofte i kantene av disse ufullkommenhetene.
2. Mikrosprekker og strukturelle feil:
Urenheter eller feil i råmaterialet eller fra smelteprosessen kan føre til interne mikrosprekker. Under mekaniske belastninger eller termisk sykling kan spenningskonsentrasjon ved sprekkspissene fremme sprekkforplantning, noe som reduserer materialets integritet.
Publisert: 04.07.2025