Изследване на техники за обработка и отгряване на кварцово стъкло

Това изследване върху техниките за обработка и отгряване на кварцово стъкло е насочено към производство на оптични влакна и свързани проекти. Той се стреми да подобри стабилността на кварцовите продукти при високи и нормални температури чрез практика, като гарантира гладко приложение на продуктите в различни сценарии.

Кварцовото стъкло се класифицира по методи на обработка, употреба и външен вид, като стопено прозрачно кварцово стъкло, стопено кварцово стъкло, рафинирано с газ прозрачно кварцово стъкло, синтетично кварцово стъкло, непрозрачно кварцово стъкло, оптично кварцово стъкло, кварцово стъкло за полупроводници и кварц стъкло за електрически източници на светлина. Те са разделени на две основни категории: прозрачни и непрозрачни. Въз основа на чистотата, той е разделен на три категории: висока чистота, обикновен и легиран.

Разстъкляването на устойчивото на висока температура кварцово стъкло е присъщ дефект. Кварцовото стъкло има по-висока вътрешна енергия от кристалния кварц, което го прави термодинамично нестабилно метастабилно състояние. Молекулите SiO2 ускоряват вибрациите и образуват кристали след продължително пренареждане и ориентация. Кристализацията се случва главно на повърхността, последвана от вътрешни дефекти, тъй като тези области са склонни към замърсяване, което води до локализирано натрупване на примесни йони. По-специално, алкалните йони (като K, Na, Li, Ca, Mg) намаляват вискозитета при навлизане в мрежата, ускорявайки девитрификацията.

Тази статия обсъжда обработени кварцови компоненти, като обхваща само прозрачно синтетично кварцово стъкло на кондензатор.

При обработката на кварцово стъкло обикновено се използва водородно-кислороден пламък с температура на обработка около 1500-1600°C.

Стъклото е лош проводник на топлина. Когато парче кварцово стъкло (без натиск) се нагрява или охлажда, външният слой на кварцовото стъкло се нагрява директно или започва да се охлажда първо, а вътрешното стъкло се нагрява (топлопроводимостта пренася външната топлина навътре) или се охлажда след това . Това създава температурна разлика между повърхността и вътрешността на кварцовото стъкло. При нагряване повърхностната температура на директно нагрятото кварцово стъкло е висока, а вътрешната температура на кварцовото стъкло, получаващо топлина, е ниска, което води до разширяване на външния слой на нагрятото кварцово стъкло. Вътрешната част с по-ниска температура се опитва да запази първоначалното си състояние, възпрепятствайки разширяването на външния слой. По този начин в кварцовото стъкло възникват разширение и анти-разширяване, създавайки два вида напрежение поради взаимодействие: напрежение на натиск и напрежение на опън. Силата, която се опитва да попречи на външния слой кварцово стъкло да се разшири навътре и да действа върху външния слой, се нарича напрежение на натиск, докато силата, упражнявана от външния слой кварцово стъкло, разширяващо се навътре, е известно като напрежение на опън.

Тъй като якостта на натиск на кварцовото стъкло е много по-голяма от якостта му на опън, вътрешният и външният слой на кварцовото стъкло могат да издържат на значителни температурни разлики по време на нагряване. При обработка с лампа кварцовото стъкло може директно да се нагрее във водородно-кислороден пламък, без да се счупи. Обратно, когато кварцово стъкло, нагрято до 500°C или по-висока, се постави в охлаждаща вода, то лесно се напуква.

Разпределението на напрежението, генерирано от обработката на лампата, е приблизително както следва:

1. Напрежение при ротационно топене Ръцете на оператора се въртят и разтапят стъклената тръба в пламъка на горелката. Тъй като стъклената тръба се нагрява чрез въртене, а не в разтопената част, напрежението се проявява като кръгли линии.
2. Стрес при странично топене За отвори, странични връзки и заваряване на напречна вътрешна сърцевина на кварцови тръби, кварцовата тръба не се върти, което води до различно разпределение на напрежението от споменатото по-горе. По това време напрежението се разпределя около разтопената част.
3. Напрежение в пръстеновидните стави Пръстеновите съединения се отнасят до заваряването на вътрешното ядро.
4. Напрежение в запечатаните краища на якета Продуктите от кварцови инструменти са в различни форми, но всички са запечатани. Например, в стандартна права кондензаторна тръба, когато двата края са запечатани, има напрежение не само върху външната обвивка, но и върху вътрешната сърцевина, което води до значително напрежение.

Големината на напрежението варира в зависимост от температурната разлика и дебелината на кварцовото стъкло. Колкото по-голяма е температурната разлика и колкото по-дебело е стъклото, толкова по-голямо е напрежението. Следователно премахването на стреса е особено важно.

Термичното напрежение в продуктите от кварцово стъкло може да бъде разделено на временно напрежение и постоянно напрежение.

Временно напрежение възниква, когато температурната промяна на стъклото е под температурата на точката на деформация, което води до неравномерна обща топлина поради лоша топлопроводимост, създавайки определено термично напрежение. Този термичен стрес съществува поради температурната разлика и е известен като временен стрес.

Трябва да се отбележи, че тъй като пръчките с кварцова сърцевина, които обикновено се обработват, съдържат различни химически вещества, те са склонни към неравномерно нагряване. Следователно, след снаждане, пламъкът трябва да се използва за равномерно нагряване на тялото на пръта, което прави общия температурен градиент възможно най-плавен, като значително намалява временното напрежение на кварцовия прът с сърцевина.

Когато стъклото се охлади над температурата на точката на деформация, топлинният стрес, генериран от температурната разлика, не изчезва напълно след охлаждане до стайна температура, оставяйки известно напрежение в стъклото. Големината на постоянното напрежение зависи от скоростта на охлаждане над температурата на точката на деформация, вискозитета на кварцовото стъкло, коефициента на топлинно разширение и дебелината на продукта.

Както бе споменато по-горе, постоянното напрежение, генерирано след обработката на кварцовия прът, влияе върху последващата обработка и производство. Следователно постоянното напрежение може да бъде елиминирано само чрез отгряване.

Обикновено стъклените продукти се отгряват след обработка. Отгряването се отнася до процес на термична обработка между температурата на прехода и температурата на точката на напрежение, за да се елиминира термичният стрес, генериран по време на производствения процес. Обикновено колкото по-голям е коефициентът на разширение на стъклото, толкова по-голям е диаметърът и колкото по-сложно е състоянието на продукта, толкова по-тежко е напрежението. Както бе споменато по-рано, кварцовият прът, с който се контактува, има голям диаметър и съдържа смесени сърцевини, така че е необходима стриктна топлинна обработка за премахване на напрежението.

При реалното производство е невъзможно напълно да се елиминира напрежението в тялото на пръта по време на отгряването на кварцовия прът. Въпреки това, остатъчното количество е толкова малко, че не се открива лесно дори под полярископ.

Теоретично най-високата температура на отгряване означава, че 95% от напрежението може да бъде елиминирано след 3 минути; най-ниската температура на отгряване води до освобождаване на напрежението 5% след 3 минути. В производствената практика обикновено използваната температура е 50°C по-ниска от най-високата температура на отгряване и 100°C по-висока от най-ниската температура на отгряване. Има много начини за отгряване, но основният метод е отгряването в пещ, което е фокусът на тази дискусия.

Съгласно принципа на отгряване, споменат по-горе, отгряването на кварцово стъкло се разделя на четири етапа: етап на нагряване, етап на постоянна температура, етап на охлаждане и етап на естествено охлаждане.

1. Етап на отопление За кварцовото стъкло тази работа се основава на изискванията за отгряване на оптичните продукти. Целият процес на нагряване включва бавно нагряване до 1100°C. Според опита повишаването на температурата е 4,5/R²°C/мин, където R е радиусът на продукта от кварцово стъкло.
2. Етап на постоянна температура Когато кварцовият прът достигне действителната най-висока температура на отгряване, тялото на пещта се поддържа при постоянна температура, за да се осигури равномерно нагряване на продукта, подготвяйки го за следващата стъпка на охлаждане.
3. Етап на охлаждане За да се елиминира или да се създаде много малко постоянно напрежение по време на процеса на охлаждане на кварцовия прът, температурата трябва да се намалява бавно, за да се предотврати голям температурен градиент. Степента на охлаждане е както следва:
   • 1100°C до 950°C: 15°C/час
   • 950°C до 750°C: 30°C/час
   • 750°C до 450°C: 60°C/час
4. Етап на естествено охлаждане Под 450°C захранването на пещта за отгряване се изключва и средата се поддържа без промяна на изолационната среда, докато естествено се охлади до под 100°C. Под 100°C изолационната среда се отваря и се охлажда до стайна температура.

Времето и температурата, включени в горните стъпки, се основават на теоретични резултати и резултати от производствената практика. Фигура 1 показва неуспешни експериментални продукти поради неравномерно нагряване, причинено от твърде кратко време на нагряване или постоянна температура.

В процеса на производство и обработка на кварцово стъкло, напрежението съществува в продуктите на всеки етап, било то временно или постоянно. Методи като „пламък“, „HF киселина“ и „пещ за отгряване“ могат да се използват за премахване на временното напрежение или намаляване на постоянното напрежение. Премахването на напрежението е от решаващо значение за подобряване на механичната стабилност и оптичната еднородност на кварцовите продукти.

В GlobalQT (Global Quartz Tube) сме специализирани във висококачествени продукти от кварцово стъкло с персонализирани решения, които да отговарят на вашите специфични нужди. За повече информация посетете нашите уебсайт или се свържете с нас чрез имейл на contact@globalquartztube.com.