Výzkum technik zpracování a žíhání křemenného skla

Tento výzkum technik zpracování a žíhání křemenného skla je zaměřen na výrobu optických vláken a související projekty. Snaží se praxí zlepšit stabilitu křemenných výrobků při vysokých a normálních teplotách a zajistit tak hladkou aplikaci výrobků v různých scénářích.

Křemenné sklo je klasifikováno podle metod zpracování, použití a vzhledu, jako je tavené průhledné křemenné sklo, tavené křemenné sklo, plynem rafinované průhledné křemenné sklo, syntetické křemenné sklo, neprůhledné křemenné sklo, optické křemenné sklo, křemenné sklo pro polovodiče a křemen sklo pro elektrické světelné zdroje. Ty se dělí do dvou hlavních kategorií: průhledné a neprůhledné. Podle čistoty se dělí do tří kategorií: vysoká čistota, obyčejná a dopovaná.

Devitrifikace křemenného skla odolného vůči vysokým teplotám je neodmyslitelnou vadou. Křemenné sklo má vyšší vnitřní energii než krystalický křemen, což z něj činí termodynamicky nestabilní metastabilní stav. Molekuly SiO2 urychlují vibrace a po dlouhodobém přeskupování a orientaci tvoří krystaly. Krystalizace se vyskytuje hlavně na povrchu, následovaná vnitřními defekty, protože tyto oblasti jsou náchylné ke kontaminaci, což vede k lokalizované akumulaci iontů nečistot. Zejména alkalické ionty (jako K, Na, Li, Ca, Mg) snižují viskozitu při vstupu do sítě a urychlují odskelnění.

Tento článek pojednává o zpracovaných křemenných součástkách, pokrývajících pouze průhledné syntetické kondenzátorové křemenné sklo.

Při zpracování křemenného skla se obvykle používá vodík-kyslíkový plamen s teplotou zpracování asi 1500-1600 °C.

Sklo je špatný vodič tepla. Když se kus křemenného skla (bez tlaku) zahřeje nebo ochladí, vnější vrstva křemenného skla se přímo zahřeje nebo začne nejprve chladnout a vnitřní sklo se zahřeje (vedení tepla přenáší vnější teplo dovnitř) nebo se ochladí až poté. . Tím vzniká teplotní rozdíl mezi povrchem a vnitřkem křemenného skla. Při zahřívání je povrchová teplota přímo vyhřívaného křemenného skla vysoká a vnitřní teplota křemenného skla přijímajícího teplo je nízká, což způsobuje expanzi vnější vrstvy zahřátého křemenného skla. Nižší teplota interiéru se snaží udržet svůj původní stav a brání rozpínání vnější vrstvy. V křemenném skle tedy dochází k expanzi a anti-expanzi, což vytváří dva typy napětí v důsledku interakce: tlakové napětí a tahové napětí. Síla, která se snaží zabránit vnější vrstvě křemenného skla expandovat dovnitř a působit na vnější vrstvu, se nazývá tlakové napětí, zatímco síla vyvíjená vnější vrstvou křemenného skla expandující dovnitř je známá jako tahové napětí.

Protože pevnost křemenného skla v tlaku je mnohem větší než jeho pevnost v tahu, mohou vnitřní a vnější vrstvy křemenného skla odolávat značným teplotním rozdílům během ohřevu. Při zpracování pomocí lampy lze křemenné sklo přímo zahřívat v plameni vodíku a kyslíku, aniž by se rozbilo. Naopak, když se křemenné sklo zahřáté na 500 °C nebo vyšší vloží do chladicí vody, snadno praskne.

Rozložení napětí generovaného zpracováním lampy je zhruba následující:

1. Stres při rotačním tavení Ruce operátora otáčejí a taví skleněnou trubici v plameni hořáku. Protože se skleněná trubice zahřívá spíše rotací než v roztavené části, napětí se projevuje jako kruhové čáry.
2. Stres při bočním tání U otvorů, bočních spojů a příčného svařování vnitřního jádra křemenných trubek se křemenná trubice neotáčí, což má za následek jiné rozložení napětí, než je uvedeno výše. V tomto okamžiku je napětí rozloženo kolem roztavené součásti.
3. Napětí v prstencových spojích Prstencové spoje se týkají svařování vnitřního jádra.
4. Stres v uzavřených koncích bundových produktů Výrobky z křemenných plášťů nástrojů přicházejí v různých formách, ale všechny jsou zapečetěny. Například u standardní přímé trubice kondenzátoru, když jsou oba konce utěsněny, je napětí přítomno nejen na vnějším plášti, ale také na vnitřním jádru, což vede k výraznému namáhání.

Velikost napětí se mění s rozdílem teplot a tloušťkou křemenného skla. Čím větší je teplotní rozdíl a čím je sklo tlustší, tím větší je napětí. Proto je odstranění stresu obzvláště důležité.

Tepelné namáhání ve výrobcích z křemenného skla lze rozdělit na dočasné namáhání a trvalé namáhání.

Dočasné napětí nastává, když je změna teploty skla pod teplotou bodu deformace, což má za následek nerovnoměrné celkové teplo v důsledku špatné tepelné vodivosti, což vytváří určité tepelné napětí. Toto tepelné napětí existuje v důsledku teplotního rozdílu a je známé jako dočasné napětí.

Je třeba poznamenat, že protože zpracovávané křemenné tyče obvykle obsahují různé chemické látky, jsou náchylné k nerovnoměrnému ohřevu. Proto by měl být plamen po svaru použit k rovnoměrnému zahřátí těla tyče, aby byl celkový teplotní gradient co nejhladší, což výrazně snižuje dočasné namáhání tyče s křemenným jádrem.

Když se sklo ochladí nad teplotu bodu deformace, tepelné napětí generované teplotním rozdílem po ochlazení na pokojovou teplotu úplně nezmizí a zanechá určité napětí ve skle. Velikost trvalého napětí závisí na rychlosti ochlazování nad teplotou bodu deformace, viskozitě křemenného skla, koeficientu tepelné roztažnosti a tloušťce produktu.

Jak bylo uvedeno výše, trvalé napětí vznikající po zpracování křemenné tyče ovlivňuje následné zpracování a výrobu. Trvalé pnutí lze tedy odstranit pouze žíháním.

Obecně se skleněné výrobky po zpracování žíhají. Žíhání se týká procesu tepelného zpracování mezi teplotou přechodu a teplotou bodu deformace, aby se eliminovalo tepelné napětí generované během výrobního procesu. Obvykle platí, že čím větší je koeficient roztažnosti skla, čím větší je průměr a čím složitější je stav produktu, tím je napětí silnější. Jak již bylo zmíněno dříve, kontaktovaná křemenná tyč má velký průměr a obsahuje tyče se smíšeným jádrem, takže k odstranění pnutí je zapotřebí přísné tepelné zpracování.

Při skutečné výrobě je nemožné zcela eliminovat napětí v těle tyče během žíhání křemenné tyče. Zbytkové množství je však tak malé, že jej nelze snadno detekovat ani pod polaroskopem.

Teoreticky nejvyšší teplota žíhání znamená, že 95% napětí může být odstraněno po 3 minutách; nejnižší teplota žíhání má za následek uvolnění napětí 5% po 3 minutách. Ve výrobní praxi je běžně používaná teplota o 50°C nižší než nejvyšší teplota žíhání a o 100°C vyšší než nejnižší teplota žíhání. Existuje mnoho způsobů žíhání, ale hlavní metodou je žíhání v peci, které je předmětem této diskuse.

Podle výše uvedeného principu žíhání je žíhání křemenného skla rozděleno do čtyř stupňů: stupeň ohřevu, stupeň konstantní teploty, stupeň chlazení a stupeň přirozeného chlazení.

1. Stupeň vytápění U křemenného skla vychází tato práce z požadavků na žíhání optických výrobků. Celý proces ohřevu zahrnuje pomalý ohřev na 1100°C. Podle zkušeností je nárůst teploty 4,5/R²°C/min, kde R je poloměr výrobku z křemenného skla.
2. Stupeň konstantní teploty Když křemenná tyč dosáhne skutečně nejvyšší teploty žíhání, těleso pece se udržuje na konstantní teplotě, aby se zajistilo rovnoměrné zahřátí produktu a jeho příprava na další krok chlazení.
3. Stupeň chlazení Aby se eliminovalo nebo vytvořilo velmi malé trvalé napětí během procesu chlazení křemenné tyče, měla by se teplota pomalu snižovat, aby se zabránilo velkému teplotnímu gradientu. Rychlosti chlazení jsou následující:
   • 1100 °C až 950 °C: 15 °C/hod
   • 950 °C až 750 °C: 30 °C/hod
   • 750 °C až 450 °C: 60 °C/hod
4. Fáze přirozeného chlazení Pod 450 °C se napájení žíhací pece vypne a prostředí se udržuje beze změny izolačního prostředí, dokud se přirozeně neochladí pod 100 °C. Pod 100 °C se izolační prostředí otevře a ochladí se na pokojovou teplotu.

Čas a teplota ve výše uvedených krocích vycházejí z výsledků teoretické a výrobní praxe. Obrázek 1 ukazuje neúspěšné experimentální produkty v důsledku nerovnoměrného ohřevu způsobeného příliš krátkým ohřevem nebo dobou konstantní teploty.

V procesu výroby a zpracování křemenného skla existuje napětí ve výrobcích v jakékoli fázi, ať už dočasné nebo trvalé. Metody jako „plamen“, „HF kyselina“ a „žíhací pec“ lze použít k odstranění dočasného napětí nebo snížení trvalého napětí. Odstranění pnutí je zásadní pro zlepšení mechanické stability a optické jednotnosti křemenných výrobků.

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 webová stránka nebo nás kontaktujte e-mailem na adrese contact@globalquartztube.com.