1. Stres termic în timpul răcirii (cauza principală)
Cuarțul topit generează stres în condiții de temperatură neuniformă. La orice temperatură dată, structura atomică a cuarțului topit atinge o configurație spațială relativ „optimă”. Pe măsură ce temperatura se schimbă, spațierea atomică se modifică în mod corespunzător - un fenomen denumit în mod obișnuit expansiune termică. Atunci când cuarțul topit este încălzit sau răcit neuniform, are loc o expansiune neuniformă.
Stresul termic apare de obicei atunci când regiunile mai calde încearcă să se extindă, dar sunt constrânse de zonele mai reci din jur. Aceasta creează o tensiune de compresiune, care de obicei nu provoacă daune. Dacă temperatura este suficient de mare pentru a înmuia sticla, tensiunea poate fi atenuată. Cu toate acestea, dacă viteza de răcire este prea rapidă, vâscozitatea crește rapid, iar structura atomică internă nu se poate adapta în timp la scăderea temperaturii. Acest lucru duce la o tensiune de tracțiune, care este mult mai probabil să provoace fracturi sau defecțiuni.
O astfel de tensiune se intensifică pe măsură ce temperatura scade, atingând niveluri ridicate la sfârșitul procesului de răcire. Temperatura la care sticla de cuarț atinge o vâscozitate peste 10^4,6 poise este denumităpunct de tensiuneÎn acest moment, vâscozitatea materialului este atât de mare încât tensiunea internă devine practic blocată și nu se mai poate disipa.
2. Stresul din tranziția de fază și relaxarea structurală
Relaxare structurală metastabilă:
În stare topită, cuarțul topit prezintă un aranjament atomic foarte dezordonat. La răcire, atomii tind să se relaxeze către o configurație mai stabilă. Cu toate acestea, vâscozitatea ridicată a stării vitroase împiedică mișcarea atomică, rezultând o structură internă metastabilă și generând stres de relaxare. În timp, acest stres poate fi eliberat lent, un fenomen cunoscut sub numele deîmbătrânirea sticlei.
Tendința de cristalizare:
Dacă cuarțul topit este menținut în anumite intervale de temperatură (cum ar fi aproape de temperatura de cristalizare) pentru perioade lungi de timp, poate apărea microcristalizarea - de exemplu, precipitarea microcristalelor de cristobalit. Neconcordanța volumetrică dintre fazele cristaline și amorfe creeazăstresul de tranziție de fază.
3. Sarcină mecanică și forță externă
1. Stresul cauzat de procesare:
Forțele mecanice aplicate în timpul tăierii, șlefuirii sau lustruirii pot introduce distorsiuni ale rețelei de suprafață și stres de prelucrare. De exemplu, în timpul tăierii cu o piatră abrazivă, căldura localizată și presiunea mecanică la margine induc concentrarea stresului. Tehnicile necorespunzătoare de găurire sau canelare pot duce la concentrări de stres la nivelul crestăturilor, servind ca puncte de inițiere a fisurilor.
2. Stresul cauzat de condițiile de serviciu:
Atunci când este utilizat ca material structural, cuarțul topit poate suferi solicitări la scară macro din cauza unor sarcini mecanice, cum ar fi presiunea sau îndoirea. De exemplu, sticla de cuarț poate dezvolta solicitări de îndoire atunci când susține conținut greu.
4. Șoc termic și fluctuații rapide de temperatură
1. Stres instantaneu cauzat de încălzirea/răcirea rapidă:
Deși cuarțul topit are un coeficient de dilatare termică foarte scăzut (~0,5×10⁻⁶/°C), schimbările rapide de temperatură (de exemplu, încălzirea de la temperatura camerei la temperaturi ridicate sau imersia în apă cu gheață) pot provoca totuși gradienți locali abrupți de temperatură. Acești gradienți duc la o dilatare sau contracție termică bruscă, producând stres termic instantaneu. Un exemplu comun este fracturarea obiectelor din cuarț de laborator din cauza șocului termic.
2. Oboseală termică ciclică:
Atunci când este expus la fluctuații repetate și lungi de temperatură — cum ar fi în căptușelile cuptorului sau în ferestrele de vizualizare la temperaturi ridicate — cuarțul topit suferă o expansiune și o contracție ciclică. Acest lucru duce la acumularea de tensiuni la oboseală, accelerarea îmbătrânirii și riscul de fisurare.
5. Stres indus chimic
1. Tensiuni de coroziune și dizolvare:
Când cuarțul topit intră în contact cu soluții alcaline puternice (de exemplu, NaOH) sau gaze acide la temperatură înaltă (de exemplu, HF), se produce coroziunea și dizolvarea suprafeței. Acest lucru perturbă uniformitatea structurală și induce stres chimic. De exemplu, coroziunea alcalină poate duce la modificări ale volumului suprafeței sau la formarea de microfisuri.
2. Stres indus de boli cardiovasculare:
Procesele de depunere chimică din faza de vapori (CVD) care depun acoperiri (de exemplu, SiC) pe cuarț topit pot introduce tensiuni interfaciale din cauza diferențelor de coeficienți de dilatare termică sau de moduli de elasticitate dintre cele două materiale. În timpul răcirii, această tensiune poate provoca delaminarea sau fisurarea acoperirii sau a substratului.
6. Defecte interne și impurități
1. Bule și incluziuni:
Bulele de gaz rezidual sau impuritățile (de exemplu, ioni metalici sau particule netopite) introduse în timpul topirii pot servi drept concentratori de tensiune. Diferențele de dilatare termică sau elasticitate dintre aceste incluziuni și matricea de sticlă creează tensiuni interne localizate. Fisurile se inițiază adesea la marginile acestor imperfecțiuni.
2. Microfisuri și defecte structurale:
Impuritățile sau defectele din materia primă sau din procesul de topire pot duce la microfisuri interne. Sub sarcini mecanice sau cicluri termice, concentrarea stresului la vârfurile fisurilor poate promova propagarea acestora, reducând integritatea materialului.
Data publicării: 04 iulie 2025