Istraživanje tehnika obrade i žarenja kvarcnog stakla

Ovo istraživanje o tehnikama obrade i žarenja kvarcnog stakla ima za cilj proizvodnju optičkih vlakana i srodne projekte. Nastoji poboljšati stabilnost kvarcnih proizvoda na visokim i normalnim temperaturama kroz praksu, osiguravajući glatku primjenu proizvoda u različitim scenarijima.

Kvarcno staklo je klasificirano prema metodama obrade, namjeni i izgledu, kao što su topljeno prozirno kvarcno staklo, topljeno kvarcno staklo, plinsko rafinirano prozirno kvarcno staklo, sintetičko kvarcno staklo, neprozirno kvarcno staklo, optičko kvarcno staklo, kvarcno staklo za poluvodiče i kvarc staklo za električne izvore svjetla. One su podijeljene u dvije glavne kategorije: transparentne i neprozirne. Na osnovu čistoće podijeljen je u tri kategorije: visoke čistoće, obični i dopirani.

Devitrifikacija kvarcnog stakla otpornog na visoke temperature je inherentni nedostatak. Kvarc staklo ima veću unutrašnju energiju od kristalnog kvarca, što ga čini termodinamički nestabilnim metastabilnim stanjem. Molekuli SiO2 ubrzavaju vibracije i formiraju kristale nakon dugotrajnog preuređivanja i orijentacije. Kristalizacija se uglavnom javlja na površini, praćena unutrašnjim defektima, jer su ova područja sklona kontaminaciji, što dovodi do lokaliziranog nakupljanja iona nečistoća. Posebno, alkalni joni (kao što su K, Na, Li, Ca, Mg) smanjuju viskozitet pri ulasku u mrežu, ubrzavajući devitrifikaciju.

Ovaj rad razmatra obrađene kvarcne komponente koje pokrivaju samo prozirno sintetičko kondenzatorsko kvarcno staklo.

Prilikom obrade kvarcnog stakla obično se koristi plamen vodonik-kiseonik, sa temperaturom obrade od oko 1500-1600°C.

Staklo je loš provodnik toplote. Kada se komad kvarcnog stakla (bez pritiska) zagreje ili ohladi, spoljašnji sloj kvarcnog stakla se direktno zagreva ili počinje da se prvo hladi, a unutrašnje staklo se zagreva (provođenje toplote prenosi spoljašnju toplotu unutra) ili se zatim hladi . Ovo stvara temperaturnu razliku između površine i unutrašnjosti kvarcnog stakla. Kada se zagrije, temperatura površine direktno zagrijanog kvarcnog stakla je visoka, a unutrašnja temperatura kvarcnog stakla koje prima toplinu je niska, što uzrokuje širenje vanjskog sloja zagrijanog kvarcnog stakla. Unutrašnjost s nižom temperaturom pokušava zadržati svoje izvorno stanje, ometajući širenje vanjskog sloja. Dakle, ekspanzija i anti-ekspanzija se javljaju unutar kvarcnog stakla, stvarajući dvije vrste naprezanja zbog interakcije: tlačno naprezanje i napon zatezanja. Sila koja pokušava spriječiti vanjski sloj kvarcnog stakla da se širi prema unutra i djeluje na vanjski sloj naziva se tlačno naprezanje, dok je sila koju vrši vanjski sloj kvarcnog stakla koji se širi prema unutra poznata kao vlačna napetost.

Budući da je tlačna čvrstoća kvarcnog stakla mnogo veća od njegove vlačne čvrstoće, unutrašnji i vanjski slojevi kvarcnog stakla mogu izdržati značajne temperaturne razlike tijekom zagrijavanja. Prilikom obrade sa lampom, kvarcno staklo se može direktno zagrijati u plamenu vodonik-kiseonik bez lomljenja. Suprotno tome, kada se kvarcno staklo zagrijano na 500°C ili više stavi u vodu za hlađenje, lako puca.

Raspodjela naprezanja koja nastaje obradom lampe je otprilike sljedeća:

1. Naprezanje pri rotacionom topljenju Ruke operatera rotiraju i tope staklenu cijev u plamenu baklje. Budući da se staklena cijev zagrijava rotacijom, a ne u rastopljenom dijelu, naprezanje se manifestira kao kružne linije.
2. Stres u bočnom topljenju Za otvore, bočne veze i poprečno zavarivanje unutrašnjeg jezgra kvarcnih cijevi, kvarcna cijev se ne rotira, što rezultira drugačijom raspodjelom naprezanja od gore spomenute. U ovom trenutku, napon se raspoređuje oko rastaljenog dijela.
3. Naprezanje u prstenastim zglobovima Prstenasti spojevi se odnose na zavarivanje unutrašnjeg jezgra.
4. Stres u zapečaćenim krajevima jaknih proizvoda Proizvodi kvarcnog omota za instrumente dolaze u različitim oblicima, ali su svi zapečaćeni. Na primjer, u standardnoj ravnoj cijevi kondenzatora, kada su oba kraja zapečaćena, naprezanje je prisutno ne samo na vanjskom omotaču već i na unutrašnjem jezgru, što dovodi do značajnog naprezanja.

Veličina naprezanja varira s temperaturnom razlikom i debljinom kvarcnog stakla. Što je veća temperaturna razlika i što je staklo deblje, to je veći napon. Stoga je uklanjanje stresa posebno važno.

Toplotni napon u proizvodima od kvarcnog stakla može se podijeliti na privremeni i trajni stres.

Privremeno naprezanje nastaje kada je promjena temperature stakla ispod temperature tačke deformacije, što rezultira neujednačenom ukupnom toplinom zbog loše toplinske provodljivosti, stvarajući određeni toplinski stres. Ovaj termički stres postoji zbog temperaturne razlike i poznat je kao privremeni stres.

Treba napomenuti da s obzirom da kvarcne šipke sa jezgrom koje se obično obrađuju sadrže različite kemijske tvari, sklone su neravnomjernom zagrijavanju. Stoga, nakon spajanja, plamen treba koristiti za ravnomjerno zagrijavanje tijela štapa, čineći ukupni temperaturni gradijent što je moguće glatkijim, značajno smanjujući privremeni stres štapa s kvarcnom jezgrom.

Kada se staklo ohladi iznad temperature tačke deformacije, termički stres nastao temperaturnom razlikom ne nestaje u potpunosti nakon hlađenja na sobnu temperaturu, ostavljajući određeni stres u staklu. Veličina trajnog naprezanja ovisi o brzini hlađenja iznad temperature tačke deformacije, viskoznosti kvarcnog stakla, koeficijentu toplinske ekspanzije i debljini proizvoda.

Kao što je gore spomenuto, trajno naprezanje koje nastaje nakon obrade kvarcnog štapa utječe na kasniju obradu i proizvodnju. Stoga se trajno naprezanje može eliminirati samo žarenjem.

Generalno, stakleni proizvodi se žare nakon obrade. Žarenje se odnosi na proces termičke obrade između prelazne temperature i temperature tačke deformacije kako bi se eliminisao termički stres nastao tokom procesa proizvodnje. Tipično, što je veći koeficijent ekspanzije stakla, što je veći prečnik i što je stanje proizvoda složenije, to je napon jači. Kao što je ranije spomenuto, kvarcna šipka koja je u kontaktu ima veliki promjer i sadrži šipke s miješanom jezgrom, tako da je potrebna stroga toplinska obrada kako bi se uklonilo naprezanje.

U stvarnoj proizvodnji, nemoguće je u potpunosti eliminirati naprezanje unutar tijela štapa tokom žarenja kvarcne šipke. Međutim, preostala količina je toliko mala da se ne može lako otkriti čak ni pod polariskopom.

Teoretski, najviša temperatura žarenja znači da 95% naprezanje može biti eliminirano nakon 3 minute; najniža temperatura žarenja rezultira otpuštanjem naprezanja 5% nakon 3 minute. U proizvodnoj praksi uobičajena temperatura je 50°C niža od najviše temperature žarenja i 100°C viša od najniže temperature žarenja. Postoji mnogo načina za žarenje, ali glavna metoda je žarenje u peći, što je fokus ove rasprave.

Prema gore navedenom principu žarenja, žarenje kvarcnog stakla je podijeljeno u četiri faze: faza zagrijavanja, faza konstantne temperature, faza hlađenja i faza prirodnog hlađenja.

1. Faza grijanja Za kvarcno staklo, ovaj rad se zasniva na zahtjevima žarenja optičkih proizvoda. Cijeli proces zagrijavanja uključuje sporo zagrijavanje do 1100°C. Prema iskustvu, porast temperature je 4,5/R²°C/min, gdje je R radijus proizvoda od kvarcnog stakla.
2. Stadijum konstantne temperature Kada kvarcna šipka dostigne stvarnu najvišu temperaturu žarenja, tijelo peći se održava na konstantnoj temperaturi kako bi se osiguralo ravnomjerno zagrijavanje proizvoda, pripremajući ga za sljedeći korak hlađenja.
3. Faza hlađenja Da bi se eliminisao ili proizveo vrlo malo trajnog naprezanja tokom procesa hlađenja kvarcne šipke, temperaturu treba polako snižavati kako bi se spriječio veliki temperaturni gradijent. Stope hlađenja su sljedeće:
   • 1100°C do 950°C: 15°C/sat
   • 950°C do 750°C: 30°C/sat
   • 750°C do 450°C: 60°C/sat
4. Faza prirodnog hlađenja Ispod 450°C, napajanje peći za žarenje se isključuje, a okruženje se održava bez promjene izolacijskog okruženja sve dok se prirodno ne ohladi na ispod 100°C. Ispod 100°C, izolaciona okolina se otvara i hladi se na sobnu temperaturu.

Vrijeme i temperatura uključeni u gore navedene korake temelje se na teoretskim i proizvodnim rezultatima prakse. Slika 1 prikazuje neuspjele eksperimentalne proizvode zbog neravnomjernog zagrijavanja uzrokovanog prekratkim zagrijavanjem ili vremenom konstantne temperature.

U procesu proizvodnje i prerade kvarcnog stakla, naprezanje u proizvodima postoji u bilo kojoj fazi, bilo privremeno ili trajno. Metode kao što su "plamen", "HF kiselina" i "peć za žarenje" mogu se koristiti za uklanjanje privremenog stresa ili smanjenje trajnog stresa. Uklanjanje naprezanja je ključno za poboljšanje mehaničke stabilnosti i optičke uniformnosti kvarcnih proizvoda.

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 web stranica ili nas kontaktirajte putem e-maila na contact@globalquartztube.com.