تحلیل جامع تشکیل تنش در کوارتز ذوب‌شده: علل، مکانیسم‌ها و اثرات

۱. تنش حرارتی در حین خنک‌سازی (علت اصلی)

کوارتز ذوب‌شده در شرایط دمایی غیریکنواخت، تنش ایجاد می‌کند. در هر دمای معین، ساختار اتمی کوارتز ذوب‌شده به یک پیکربندی فضایی نسبتاً "بهینه" می‌رسد. با تغییر دما، فاصله اتمی نیز متناسب با آن تغییر می‌کند - پدیده‌ای که معمولاً به عنوان انبساط حرارتی شناخته می‌شود. هنگامی که کوارتز ذوب‌شده به طور ناهموار گرم یا سرد می‌شود، انبساط غیریکنواخت رخ می‌دهد.

تنش حرارتی معمولاً زمانی ایجاد می‌شود که نواحی گرم‌تر تلاش می‌کنند منبسط شوند اما توسط نواحی سردتر اطراف محدود می‌شوند. این امر باعث ایجاد تنش فشاری می‌شود که معمولاً باعث آسیب نمی‌شود. اگر دما به اندازه کافی بالا باشد تا شیشه را نرم کند، تنش می‌تواند کاهش یابد. با این حال، اگر سرعت خنک شدن خیلی سریع باشد، ویسکوزیته به سرعت افزایش می‌یابد و ساختار اتمی داخلی نمی‌تواند به موقع با کاهش دما تنظیم شود. این امر منجر به تنش کششی می‌شود که به احتمال زیاد باعث شکستگی یا شکست می‌شود.

چنین تنشی با کاهش دما تشدید می‌شود و در پایان فرآیند خنک‌سازی به سطوح بالایی می‌رسد. دمایی که در آن شیشه کوارتز به ویسکوزیته‌ای بالاتر از 10^4.6 پواز می‌رسد، به عنوان ... شناخته می‌شود.نقطه کرنشدر این نقطه، ویسکوزیته ماده به قدری بالاست که تنش داخلی عملاً قفل شده و دیگر نمی‌تواند پراکنده شود.

---

۲. تنش ناشی از گذار فاز و آرامش ساختاری

آرامش ساختاری شبه پایدار:
در حالت مذاب، کوارتز ذوب‌شده آرایش اتمی بسیار بی‌نظمی را نشان می‌دهد. پس از خنک شدن، اتم‌ها تمایل دارند به سمت پیکربندی پایدارتری ریلکس شوند. با این حال، ویسکوزیته بالای حالت شیشه‌ای مانع حرکت اتمی می‌شود و در نتیجه ساختار داخلی نیمه‌پایدار ایجاد می‌شود و تنش ریلکسیشن ایجاد می‌کند. با گذشت زمان، این تنش ممکن است به آرامی آزاد شود، پدیده‌ای که به عنوان ... شناخته می‌شود.پیرسازی شیشه.

گرایش به تبلور:
اگر کوارتز ذوب شده برای مدت طولانی در محدوده دمایی خاصی (مانند نزدیک به دمای تبلور) نگه داشته شود، ممکن است ریزبلوری شدن رخ دهد - برای مثال، رسوب ریزبلورهای کریستوبالیت. عدم تطابق حجمی بین فازهای بلوری و آمورف باعث ایجاد ...تنش گذار فاز.

---

۳. بار مکانیکی و نیروی خارجی

۱. استرس ناشی از پردازش:
نیروهای مکانیکی اعمال شده در حین برش، سنگ‌زنی یا صیقل‌کاری می‌توانند باعث اعوجاج شبکه سطحی و تنش فرآوری شوند. به عنوان مثال، در حین برش با چرخ سنگ‌زنی، گرمای موضعی و فشار مکانیکی در لبه باعث تمرکز تنش می‌شوند. تکنیک‌های نامناسب در سوراخ‌کاری یا شیارزنی می‌تواند منجر به تمرکز تنش در شیارها شود که به عنوان نقاط شروع ترک عمل می‌کنند.

۲. استرس ناشی از شرایط سرویس:
کوارتز ذوب‌شده وقتی به عنوان یک ماده ساختاری استفاده می‌شود، می‌تواند به دلیل بارهای مکانیکی مانند فشار یا خمش، تنش در مقیاس ماکرو را تجربه کند. به عنوان مثال، ظروف شیشه‌ای کوارتز هنگام نگه داشتن محتویات سنگین ممکن است دچار تنش خمشی شوند.

---

۴. شوک حرارتی و نوسان سریع دما

۱. تنش آنی ناشی از گرمایش/سرمایش سریع:
اگرچه کوارتز ذوب‌شده ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد (~0.5×10⁻⁶/°C)، تغییرات سریع دما (مثلاً گرم کردن از دمای اتاق به دماهای بالا یا غوطه‌وری در آب یخ) هنوز هم می‌تواند باعث گرادیان‌های دمایی موضعی تند شود. این گرادیان‌ها منجر به انبساط یا انقباض حرارتی ناگهانی می‌شوند و تنش حرارتی آنی ایجاد می‌کنند. یک مثال رایج، شکستگی ظروف کوارتز آزمایشگاهی به دلیل شوک حرارتی است.

۲. خستگی حرارتی چرخه‌ای:
کوارتز ذوب‌شده وقتی در معرض نوسانات دمایی مکرر و طولانی‌مدت - مانند پوشش کوره‌ها یا پنجره‌های مشاهده با دمای بالا - قرار می‌گیرد، دچار انبساط و انقباض چرخه‌ای می‌شود. این امر منجر به تجمع تنش خستگی، تسریع پیری و خطر ترک خوردن می‌شود.

۵. استرس ناشی از مواد شیمیایی

۱. تنش خوردگی و انحلال:
وقتی کوارتز ذوب شده در تماس با محلول‌های قلیایی قوی (مثلاً NaOH) یا گازهای اسیدی با دمای بالا (مثلاً HF) قرار می‌گیرد، خوردگی و انحلال سطحی رخ می‌دهد. این امر یکنواختی ساختاری را مختل کرده و باعث ایجاد تنش شیمیایی می‌شود. به عنوان مثال، خوردگی قلیایی می‌تواند منجر به تغییرات حجم سطحی یا تشکیل ریزترک شود.

۲. استرس ناشی از بیماری‌های قلبی عروقی:
فرآیندهای رسوب بخار شیمیایی (CVD) که پوشش‌ها (مثلاً SiC) را روی کوارتز ذوب‌شده رسوب می‌دهند، می‌توانند به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی یا مدول‌های الاستیک بین دو ماده، تنش سطحی ایجاد کنند. در حین خنک شدن، این تنش می‌تواند باعث لایه لایه شدن یا ترک خوردگی پوشش یا زیرلایه شود.

---

۶. عیوب و ناخالصی‌های داخلی

۱. حباب‌ها و ناخالصی‌ها:
حباب‌های گاز باقیمانده یا ناخالصی‌ها (مثلاً یون‌های فلزی یا ذرات ذوب نشده) که در حین ذوب وارد می‌شوند، می‌توانند به عنوان متمرکزکننده‌های تنش عمل کنند. تفاوت در انبساط حرارتی یا الاستیسیته بین این ناخالصی‌ها و ماتریس شیشه‌ای، تنش داخلی موضعی ایجاد می‌کند. ترک‌ها اغلب در لبه‌های این عیوب شروع می‌شوند.

۲. ترک‌های ریز و نقص‌های ساختاری:
ناخالصی‌ها یا نقص‌های موجود در ماده اولیه یا ناشی از فرآیند ذوب ممکن است منجر به ایجاد ریزترک‌های داخلی شوند. تحت بارهای مکانیکی یا چرخه‌های حرارتی، تمرکز تنش در نوک ترک‌ها می‌تواند باعث انتشار ترک و کاهش یکپارچگی ماده شود.