البحث عن معالجة الصلب تقنيات زجاج الكوارتز

يهدف هذا البحث حول تقنيات المعالجة والتليين لزجاج الكوارتز إلى إنتاج الألياف الضوئية والمشاريع ذات الصلة. ويسعى إلى تحسين استقرار منتجات الكوارتز في درجات الحرارة العالية والعادية من خلال الممارسة، مما يضمن التطبيق السلس للمنتجات في سيناريوهات مختلفة.

يتم تصنيف زجاج الكوارتز حسب طرق المعالجة والاستخدامات والمظهر، مثل زجاج الكوارتز الشفاف المنصهر، وزجاج الكوارتز المنصهر، وزجاج الكوارتز الشفاف المكرر بالغاز، وزجاج الكوارتز الاصطناعي، وزجاج الكوارتز غير الشفاف، وزجاج الكوارتز البصري، وزجاج الكوارتز لأشباه الموصلات، والكوارتز. زجاج لمصادر الضوء الكهربائية. وتنقسم هذه إلى فئتين رئيسيتين: شفافة ومعتمة. وعلى أساس النقاء ينقسم إلى ثلاث فئات: عالية النقاء، وعادية، ومخدرة.

إن إزالة التزجيج من زجاج الكوارتز المقاوم لدرجات الحرارة العالية هو عيب متأصل. يتمتع زجاج الكوارتز بطاقة داخلية أعلى من الكوارتز البلوري، مما يجعله في حالة غير مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية. تعمل جزيئات SiO2 على تسريع الاهتزاز وتكوين البلورات بعد إعادة الترتيب والتوجيه على المدى الطويل. ويحدث التبلور بشكل رئيسي على السطح، يليه عيوب داخلية، حيث تكون هذه المناطق عرضة للتلوث، مما يؤدي إلى تراكم أيونات الشوائب موضعياً. على وجه الخصوص، تعمل الأيونات القلوية (مثل K، Na، Li، Ca، Mg) على تقليل اللزوجة عند دخول الشبكة، مما يؤدي إلى تسريع عملية إزالة التزجيج.

تتناول هذه الورقة مكونات الكوارتز المعالجة، والتي تغطي فقط زجاج الكوارتز الاصطناعي الشفاف.

عند معالجة زجاج الكوارتز، عادةً ما يتم استخدام لهب الهيدروجين والأكسجين، مع درجة حرارة معالجة تبلغ حوالي 1500-1600 درجة مئوية.

الزجاج رديء التوصيل للحرارة. عندما يتم تسخين أو تبريد قطعة من زجاج الكوارتز (بدون ضغط)، يتم تسخين الطبقة الخارجية من زجاج الكوارتز مباشرة أو تبدأ في التبريد أولاً، ويتم تسخين الزجاج الداخلي (ينقل التوصيل الحراري الحرارة الخارجية إلى الداخل) أو يتم تبريده بعد ذلك . وهذا يخلق فرقًا في درجة الحرارة بين السطح والجزء الداخلي من زجاج الكوارتز. عند التسخين، تكون درجة حرارة سطح زجاج الكوارتز المسخن مباشرة مرتفعة، وتكون درجة الحرارة الداخلية لزجاج الكوارتز الذي يتلقى الحرارة منخفضة، مما يؤدي إلى تمدد الطبقة الخارجية لزجاج الكوارتز الساخن. تحاول الطبقة الداخلية ذات الحرارة المنخفضة الحفاظ على حالتها الأصلية، مما يعيق توسع الطبقة الخارجية. وبالتالي، يحدث التمدد ومضاد التمدد داخل زجاج الكوارتز، مما يخلق نوعين من الإجهاد بسبب التفاعل: إجهاد الضغط وإجهاد الشد. القوة التي تحاول منع الطبقة الخارجية من زجاج الكوارتز من التوسع إلى الداخل والتأثير على الطبقة الخارجية تسمى إجهاد الضغط، بينما تُعرف القوة التي تمارسها الطبقة الخارجية من زجاج الكوارتز المتوسعة إلى الداخل بإجهاد الشد.

نظرًا لأن قوة الضغط لزجاج الكوارتز أكبر بكثير من قوة الشد، فإن الطبقات الداخلية والخارجية من زجاج الكوارتز يمكنها تحمل اختلافات كبيرة في درجات الحرارة أثناء التسخين. عند المعالجة بالمصباح، يمكن تسخين زجاج الكوارتز مباشرة في لهب الهيدروجين والأكسجين دون أن ينكسر. وعلى العكس من ذلك، عندما يتم تسخين زجاج الكوارتز إلى 500 درجة مئوية أو أعلى ويتم وضعه في ماء بارد، فإنه يتشقق بسهولة.

يكون توزيع الضغط الناتج عن معالجة المصباح كما يلي تقريبًا:

1. الإجهاد في الانصهار الدوراني تدور يدي المشغل وتذوب الأنبوب الزجاجي في لهب الشعلة. وبما أن الأنبوب الزجاجي يتم تسخينه عن طريق الدوران وليس في الجزء المنصهر، فإن الإجهاد يظهر على شكل خطوط دائرية.
2. الإجهاد في ذوبان الجانب بالنسبة للفتحات، والوصلات الجانبية، واللحام الداخلي المستعرض لأنابيب الكوارتز، فإن أنبوب الكوارتز لا يدور، مما يؤدي إلى توزيع إجهاد مختلف عن المذكور أعلاه. في هذا الوقت، يتم توزيع الضغط حول الجزء المنصهر.
3. الإجهاد في المفاصل الدائري تشير المفاصل الحلقية إلى لحام اللب الداخلي.
4. الإجهاد في الأطراف المغلقة لمنتجات السترات تأتي منتجات سترة أدوات الكوارتز بأشكال مختلفة ولكنها جميعها مختومة. على سبيل المثال، في أنبوب مكثف مستقيم قياسي، عندما يكون كلا الطرفين مغلقين، يكون الضغط موجودًا ليس فقط على الغلاف الخارجي ولكن أيضًا على القلب الداخلي، مما يؤدي إلى إجهاد كبير.

يختلف حجم الإجهاد باختلاف درجة الحرارة وسمك زجاج الكوارتز. كلما زاد الفرق في درجة الحرارة وكلما زاد سمك الزجاج، زاد الضغط. ولذلك، فإن إزالة التوتر مهم بشكل خاص.

يمكن تقسيم الإجهاد الحراري في منتجات زجاج الكوارتز إلى إجهاد مؤقت وإجهاد دائم.

يحدث الإجهاد المؤقت عندما يكون تغير درجة حرارة الزجاج أقل من درجة حرارة نقطة الانفعال، مما يؤدي إلى حرارة إجمالية غير متساوية بسبب ضعف التوصيل الحراري، مما يخلق إجهادًا حراريًا معينًا. وينشأ هذا الإجهاد الحراري نتيجة لاختلاف درجات الحرارة ويعرف بالإجهاد المؤقت.

تجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لأن قضبان الكوارتز الأساسية التي تتم معالجتها عادةً تحتوي على مواد كيميائية مختلفة، فهي عرضة للتسخين غير المتساوي. لذلك، بعد الربط، يجب استخدام اللهب لتسخين جسم القضيب بالتساوي، مما يجعل التدرج العام لدرجة الحرارة سلسًا قدر الإمكان، مما يقلل بشكل كبير من الضغط المؤقت لقضيب الكوارتز الأساسي.

عندما يبرد الزجاج من درجة حرارة أعلى من نقطة الانفعال، فإن الإجهاد الحراري الناتج عن اختلاف درجة الحرارة لا يختفي تمامًا بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة، مما يترك بعض الضغط في الزجاج. ويعتمد حجم الإجهاد الدائم على معدل التبريد فوق درجة حرارة نقطة الانفعال، ولزوجة زجاج الكوارتز، ومعامل التمدد الحراري، وسمك المنتج.

كما ذكر أعلاه، فإن الضغط الدائم الناتج بعد معالجة قضيب الكوارتز يؤثر على المعالجة والإنتاج اللاحقين. ولذلك، لا يمكن القضاء على الإجهاد الدائم إلا من خلال التلدين.

بشكل عام، يتم تلدين المنتجات الزجاجية بعد معالجتها. يشير التلدين إلى عملية المعالجة الحرارية بين درجة حرارة الانتقال ودرجة حرارة نقطة الانفعال لإزالة الإجهاد الحراري الناتج أثناء عملية التصنيع. عادة، كلما زاد معامل التمدد للزجاج، كلما زاد القطر وكلما كانت حالة المنتج أكثر تعقيدا، كلما زاد الضغط. كما ذكرنا سابقًا، فإن قضيب الكوارتز الملامس له قطر كبير ويحتوي على قضبان أساسية مختلطة، لذلك يلزم إجراء معالجة حرارية صارمة لإزالة الإجهاد.

في الإنتاج الفعلي، من المستحيل إزالة الضغط بشكل كامل داخل جسم القضيب أثناء التلدين لقضيب الكوارتز. ومع ذلك، فإن الكمية المتبقية صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها بسهولة حتى تحت منظار الاستقطاب.

من الناحية النظرية، أعلى درجة حرارة التلدين تعني أنه يمكن إزالة 95% من الإجهاد بعد 3 دقائق؛ تؤدي أدنى درجة حرارة التلدين إلى إطلاق إجهاد 5% بعد 3 دقائق. في ممارسة الإنتاج، تكون درجة الحرارة شائعة الاستخدام أقل بـ 50 درجة مئوية من أعلى درجة حرارة للتليين وأعلى بـ 100 درجة مئوية من أدنى درجة حرارة للتليين. هناك العديد من الطرق للتليين، ولكن الطريقة الرئيسية هي التلدين في الفرن، وهو محور هذه المناقشة.

وفقا لمبدأ التلدين المذكور أعلاه، التلدين لزجاج الكوارتز ينقسم إلى أربع مراحل: مرحلة التسخين، مرحلة درجة الحرارة الثابتة، مرحلة التبريد، ومرحلة التبريد الطبيعي.

1. مرحلة التدفئة بالنسبة لزجاج الكوارتز، يعتمد هذا العمل على متطلبات التلدين للمنتجات البصرية. تتضمن عملية التسخين بأكملها تسخينًا بطيئًا إلى 1100 درجة مئوية. وفقًا للتجربة، يبلغ ارتفاع درجة الحرارة 4.5/R²°C/min، حيث R هو نصف قطر منتج زجاج الكوارتز.
2. مرحلة درجة الحرارة الثابتة عندما يصل قضيب الكوارتز إلى أعلى درجة حرارة التلدين الفعلية، يتم الاحتفاظ بجسم الفرن عند درجة حرارة ثابتة لضمان التسخين الموحد للمنتج، وإعداده لخطوة التبريد التالية.
3. مرحلة التبريد للتخلص من أو إنتاج القليل جدًا من الإجهاد الدائم أثناء عملية تبريد قضيب الكوارتز، يجب تقليل درجة الحرارة ببطء لمنع التدرج الكبير في درجة الحرارة. معدلات التبريد هي كما يلي:
   • 1100 درجة مئوية إلى 950 درجة مئوية: 15 درجة مئوية/ساعة
   • 950 درجة مئوية إلى 750 درجة مئوية: 30 درجة مئوية/ساعة
   • 750 درجة مئوية إلى 450 درجة مئوية: 60 درجة مئوية/ساعة
4. مرحلة التبريد الطبيعي أقل من 450 درجة مئوية، يتم إيقاف الطاقة عن فرن التلدين، ويتم الحفاظ على البيئة دون تغيير بيئة العزل حتى يبرد بشكل طبيعي إلى أقل من 100 درجة مئوية. أقل من 100 درجة مئوية، يتم فتح بيئة العزل، وتبرد إلى درجة حرارة الغرفة.

يعتمد الوقت ودرجة الحرارة المتضمنة في الخطوات المذكورة أعلاه على النتائج النظرية ونتائج ممارسات الإنتاج. ويبين الشكل 1 المنتجات التجريبية الفاشلة بسبب التسخين غير المتساوي الناتج عن التسخين القصير جدًا أو وقت درجة الحرارة الثابتة.

في عملية إنتاج ومعالجة زجاج الكوارتز، يوجد إجهاد في المنتجات في أي مرحلة، سواء كانت مؤقتة أو دائمة. يمكن استخدام طرق مثل "اللهب" و"حمض HF" و"فرن التلدين" لإزالة الإجهاد المؤقت أو تقليل الإجهاد الدائم. تعد إزالة الإجهاد أمرًا بالغ الأهمية لتحسين الاستقرار الميكانيكي والتوحيد البصري لمنتجات الكوارتز.

At GlobalQT (Global Quartz Tube), we specialize in high-quality quartz glass products with customizable solutions to meet your specific needs. For more information, visit our الموقع أو الاتصال بنا عن طريق البريد الإلكتروني في contact@globalquartztube.com.