Forskning i forarbejdnings- og udglødningsteknikker af kvartsglas

Denne forskning i forarbejdnings- og udglødningsteknikker af kvartsglas er rettet mod fiberoptisk produktion og relaterede projekter. Det søger at forbedre stabiliteten af kvartsprodukter ved høje og normale temperaturer gennem praksis, hvilket sikrer jævn anvendelse af produkter i forskellige scenarier.

Kvartsglas klassificeres efter behandlingsmetoder, anvendelser og udseende, såsom smeltet gennemsigtigt kvartsglas, smeltet kvartsglas, gasraffineret gennemsigtigt kvartsglas, syntetisk kvartsglas, uigennemsigtigt kvartsglas, optisk kvartsglas, kvartsglas til halvledere og kvartsglas glas til elektriske lyskilder. Disse er opdelt i to hovedkategorier: gennemsigtig og uigennemsigtig. Baseret på renhed er den opdelt i tre kategorier: høj renhed, almindelig og dopet.

Afglasningen af højtemperaturbestandigt kvartsglas er en iboende defekt. Kvartsglas har højere indre energi end krystallinsk kvarts, hvilket gør det til en termodynamisk ustabil metastabil tilstand. SiO2-molekyler accelererer vibrationer og danner krystaller efter langvarig omlejring og orientering. Krystallisation forekommer hovedsageligt på overfladen, efterfulgt af interne defekter, da disse områder er tilbøjelige til forurening, hvilket fører til lokal ophobning af urenheder. Især alkaliioner (såsom K, Na, Li, Ca, Mg) reducerer viskositeten, når de kommer ind i netværket, hvilket accelererer afglasning.

Dette papir diskuterer forarbejdede kvartskomponenter, der kun dækker gennemsigtigt syntetisk kondensatorkvartsglas.

Ved bearbejdning af kvartsglas anvendes typisk en brint-iltflamme med en bearbejdningstemperatur på omkring 1500-1600°C.

Glas er en dårlig varmeleder. Når et stykke kvartsglas (uden tryk) opvarmes eller afkøles, opvarmes det ydre lag af kvartsglasset direkte eller begynder at afkøle først, og det indre glas opvarmes (varmeledning overfører ekstern varme til indersiden) eller afkøles efterfølgende . Dette skaber en temperaturforskel mellem overfladen og det indre af kvartsglasset. Når det opvarmes, er overfladetemperaturen på det direkte opvarmede kvartsglas høj, og den indre temperatur i det kvartsglas, der modtager varme, er lav, hvilket får det ydre lag af det opvarmede kvartsglas til at udvide sig. Det indre med lavere temperatur forsøger at bevare sin oprindelige tilstand, hvilket forhindrer udvidelsen af det ydre lag. Ekspansion og anti-ekspansion forekommer således i kvartsglasset, hvilket skaber to typer spændinger på grund af interaktion: trykspænding og trækspænding. Den kraft, der forsøger at forhindre, at det ydre lag af kvartsglas udvider sig indad og virker på det ydre lag kaldes trykspænding, mens kraften, der udøves af det ydre lag af kvartsglas, der udvider sig indad, er kendt som trækspænding.

Da kvartsglasets trykstyrke er meget større end dets trækstyrke, kan de indre og ydre lag af kvartsglas modstå betydelige temperaturforskelle under opvarmning. Ved forarbejdning med en lampe kan kvartsglas opvarmes direkte i en brint-iltflamme uden at gå i stykker. Omvendt, når kvartsglas opvarmet til 500°C eller højere placeres i kølevand, revner det let.

Spændingsfordelingen, der genereres af lampebehandling, er groft sagt som følger:

1. Stress ved rotationssmeltning Operatørens hænder roterer og smelter glasrøret i fakkelflammen. Da glasrøret opvarmes ved rotation i stedet for i den smeltede del, manifesterer spændingen sig som cirkulære linjer.
2. Stress ved sidesmeltning Ved åbninger, sideforbindelser og tværgående indre kernesvejsning af kvartsrør roterer kvartsrøret ikke, hvilket resulterer i en anden spændingsfordeling end nævnt ovenfor. På dette tidspunkt fordeles spændingen rundt om den smeltede del.
3. Stress i ringled Ringsamlinger refererer til svejsningen af den indre kerne.
4. Stress i forseglede ender af jakkeprodukter Quartz instrument jakke produkter kommer i forskellige former, men er alle forseglet. For eksempel, i et standard lige kondensatorrør, når begge ender er forseglet, er spænding til stede ikke kun på den ydre kappe, men også på den indre kerne, hvilket fører til betydelig belastning.

Størrelsen af spændingen varierer med temperaturforskellen og tykkelsen af kvartsglasset. Jo større temperaturforskellen og jo tykkere glasset er, jo større spænding. Derfor er stressfjernelse særlig vigtig.

Termisk stress i kvartsglasprodukter kan opdeles i midlertidig stress og permanent stress.

Midlertidig spænding opstår, når temperaturændringen af glasset er under spændingspunktstemperaturen, hvilket resulterer i ujævn totalvarme på grund af dårlig varmeledningsevne, hvilket skaber en vis termisk spænding. Denne termiske spænding eksisterer på grund af temperaturforskellen og er kendt som midlertidig spænding.

Det skal bemærkes, at da de kvartskernestænger, der normalt behandles, indeholder forskellige kemiske stoffer, er de tilbøjelige til ujævn opvarmning. Derfor skal flammen efter splejsning bruges til jævnt at opvarme stanglegemet, hvilket gør den overordnede temperaturgradient så glat som muligt, hvilket væsentligt reducerer den midlertidige belastning af kvartskernestangen.

Når glas afkøles fra over spændingspunktstemperaturen, forsvinder den termiske spænding, der genereres af temperaturforskellen, ikke fuldstændigt efter afkøling til stuetemperatur, hvilket efterlader en vis spænding i glasset. Størrelsen af permanent spænding afhænger af afkølingshastigheden over tøjningspunkttemperaturen, kvartsglasets viskositet, termisk udvidelseskoefficient og produktets tykkelse.

Som nævnt ovenfor påvirker den permanente spænding, der genereres efter forarbejdning af kvartsstangen, efterfølgende forarbejdning og produktion. Derfor kan permanent spænding kun elimineres gennem udglødning.

Generelt udglødes glasprodukter efter forarbejdning. Udglødning refererer til en varmebehandlingsproces mellem overgangstemperaturen og belastningspunktstemperaturen for at eliminere termisk stress genereret under fremstillingsprocessen. Typisk er det sådan, at jo større udvidelseskoefficienten for glasset er, jo større diameter og jo mere kompleks produkttilstanden er, jo mere alvorlig er spændingen. Som tidligere nævnt har den kontaktede kvartsstang en stor diameter og indeholder blandede kernestænger, så streng varmebehandling er påkrævet for at fjerne stress.

I den faktiske produktion er det umuligt fuldstændigt at eliminere spændingen i stanglegemet under udglødning af kvartsstangen. Imidlertid er restmængden så lille, at den ikke let kan detekteres selv under et polariskop.

Teoretisk betyder den højeste udglødningstemperatur, at 95% af spændingen kan elimineres efter 3 minutter; den laveste udglødningstemperatur resulterer i en 5% spændingsfrigivelse efter 3 minutter. I produktionspraksis er den almindeligt anvendte temperatur 50°C lavere end den højeste udglødningstemperatur og 100°C højere end den laveste udglødningstemperatur. Der er mange måder at udgløde på, men hovedmetoden er udglødning i en ovn, som er fokus for denne diskussion.

I henhold til ovennævnte udglødningsprincip er udglødningen af kvartsglas opdelt i fire trin: opvarmningstrin, konstant temperaturtrin, afkølingstrin og naturligt afkølingstrin.

1. Varmetrin For kvartsglas er dette arbejde baseret på optiske produkters udglødningskrav. Hele opvarmningsprocessen involverer langsom opvarmning til 1100°C. Erfaringsmæssigt er temperaturstigningen 4,5/R²°C/min, hvor R er kvartsglasproduktets radius.
2. Stadium med konstant temperatur Når kvartsstaven når den faktiske højeste udglødningstemperatur, holdes ovnlegemet ved en konstant temperatur for at sikre ensartet opvarmning af produktet, hvilket forbereder det til næste afkølingstrin.
3. Afkølingsstadie For at eliminere eller producere meget lidt permanent belastning under afkølingsprocessen af kvartsstangen, bør temperaturen langsomt reduceres for at forhindre en stor temperaturgradient. Kølehastighederne er som følger:
   • 1100°C til 950°C: 15°C/time
   • 950°C til 750°C: 30°C/time
   • 750°C til 450°C: 60°C/time
4. Naturlig kølestadie Under 450°C afbrydes strømmen til udglødningsovnen, og miljøet opretholdes uden at ændre isoleringsmiljøet, indtil det naturligt afkøles til under 100°C. Under 100°C åbnes isoleringsmiljøet, og det afkøles til stuetemperatur.

Den tid og temperatur, der er involveret i ovenstående trin, er baseret på teoretiske resultater og produktionspraksis. Figur 1 viser mislykkede eksperimentelle produkter på grund af ujævn opvarmning forårsaget af for kort opvarmning eller konstant temperaturtid.

I processen med fremstilling og forarbejdning af kvartsglas er der stress i produkterne på ethvert stadie, uanset om det er midlertidigt eller permanent. Metoder som "flamme", "HF-syre" og "glødningsovn" kan bruges til at fjerne midlertidig stress eller reducere permanent stress. Fjernelse af stress er afgørende for at forbedre den mekaniske stabilitet og optiske ensartethed af kvartsprodukter.

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 internet side eller kontakt os via e-mail på contact@globalquartztube.com.