Forschung zu Verarbeitungs- und Glühtechniken für Quarzglas

Diese Forschung zu den Verarbeitungs- und Glühtechniken von Quarzglas zielt auf die Produktion von Glasfasern und verwandte Projekte ab. Ziel ist es, die Stabilität von Quarzprodukten bei hohen und normalen Temperaturen durch praktische Anwendung zu verbessern und so eine reibungslose Anwendung der Produkte in verschiedenen Szenarien sicherzustellen.

Quarzglas wird nach Verarbeitungsmethoden, Verwendungen und Aussehen klassifiziert, wie beispielsweise geschmolzenes transparentes Quarzglas, geschmolzenes Quarzglas, gasraffiniertes transparentes Quarzglas, synthetisches Quarzglas, opakes Quarzglas, optisches Quarzglas, Quarzglas für Halbleiter und Quarzglas für elektrische Lichtquellen. Diese werden in zwei Hauptkategorien unterteilt: transparent und opak. Basierend auf der Reinheit wird es in drei Kategorien unterteilt: hochrein, gewöhnlich und dotiert.

Die Entglasung von hochtemperaturbeständigem Quarzglas ist ein inhärenter Defekt. Quarzglas hat eine höhere innere Energie als kristallines Quarzglas, was es zu einem thermodynamisch instabilen metastabilen Zustand macht. SiO2-Moleküle beschleunigen die Schwingung und bilden nach langfristiger Umordnung und Ausrichtung Kristalle. Die Kristallisation erfolgt hauptsächlich an der Oberfläche, gefolgt von inneren Defekten, da diese Bereiche anfällig für Verunreinigungen sind, was zu einer lokalen Ansammlung von Verunreinigungsionen führt. Insbesondere Alkaliionen (wie K, Na, Li, Ca, Mg) verringern die Viskosität beim Eintritt in das Netzwerk und beschleunigen die Entglasung.

In diesem Dokument werden verarbeitete Quarzkomponenten behandelt, wobei ausschließlich transparentes synthetisches Kondensator-Quarzglas behandelt wird.

Bei der Bearbeitung von Quarzglas wird typischerweise eine Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme verwendet, bei der die Bearbeitungstemperatur etwa 1500–1600 °C beträgt.

Glas ist ein schlechter Wärmeleiter. Wenn ein Stück Quarzglas (ohne Druck) erhitzt oder abgekühlt wird, wird die äußere Schicht des Quarzglases direkt erhitzt oder beginnt zuerst abzukühlen, und das innere Glas wird erhitzt (durch Wärmeleitung wird die äußere Wärme nach innen übertragen) oder danach abgekühlt. Dadurch entsteht ein Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und dem Inneren des Quarzglases. Beim Erhitzen ist die Oberflächentemperatur des direkt erhitzten Quarzglases hoch und die Innentemperatur des Quarzglases, das Wärme empfängt, niedrig, wodurch sich die äußere Schicht des erhitzten Quarzglases ausdehnt. Das Innere mit der niedrigeren Temperatur versucht, seinen ursprünglichen Zustand beizubehalten, wodurch die Ausdehnung der äußeren Schicht behindert wird. Somit kommt es im Quarzglas zu Ausdehnung und Verhinderung der Ausdehnung, wodurch durch Wechselwirkung zwei Arten von Spannungen entstehen: Druckspannung und Zugspannung. Die Kraft, die versucht, die Ausdehnung der äußeren Schicht des Quarzglases nach innen zu verhindern und auf die äußere Schicht einwirkt, wird als Druckspannung bezeichnet, während die Kraft, die von der nach innen expandierenden äußeren Schicht des Quarzglases ausgeübt wird, als Zugspannung bezeichnet wird.

Da die Druckfestigkeit von Quarzglas viel größer ist als seine Zugfestigkeit, können die inneren und äußeren Schichten des Quarzglases beim Erhitzen erheblichen Temperaturunterschieden standhalten. Bei der Verarbeitung mit einer Lampe kann Quarzglas direkt in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme erhitzt werden, ohne zu brechen. Umgekehrt bricht Quarzglas, das auf 500 °C oder mehr erhitzt wird, leicht, wenn es in Kühlwasser gelegt wird.

Die durch die Lampenverarbeitung erzeugte Spannungsverteilung ist ungefähr wie folgt:

1. Spannungen beim Rotationsschmelzen Die Hände des Bedieners drehen und schmelzen das Glasrohr in der Brennerflamme. Da das Glasrohr durch die Drehung und nicht im geschmolzenen Teil erhitzt wird, manifestiert sich die Spannung in Form kreisförmiger Linien.
2. Spannung beim seitlichen Schmelzen Bei Öffnungen, Seitenverbindungen und Querschweißen des Innenkerns von Quarzrohren rotiert das Quarzrohr nicht, was zu einer anderen Spannungsverteilung als oben erwähnt führt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung um den geschmolzenen Teil herum verteilt.
3. Spannungen in Ringverbindungen Unter Ringverbindungen versteht man das Verschweißen des Innenkerns.
4. Spannung in versiegelten Enden von Mantelprodukten Quarzinstrumenten-Ummantelungsprodukte gibt es in verschiedenen Formen, aber alle sind versiegelt. Wenn beispielsweise bei einem geraden Standardkondensatorrohr beide Enden versiegelt sind, wirkt nicht nur die äußere Ummantelung, sondern auch der innere Kern, was zu erheblichen Spannungen führt.

Die Stärke der Spannung variiert mit dem Temperaturunterschied und der Dicke des Quarzglases. Je größer der Temperaturunterschied und je dicker das Glas, desto größer die Spannung. Daher ist die Spannungsbeseitigung besonders wichtig.

Thermische Spannungen in Quarzglasprodukten können in temporäre Spannungen und permanente Spannungen unterteilt werden.

Temporäre Spannungen treten auf, wenn die Temperaturänderung des Glases unterhalb der Dehnungspunkttemperatur liegt, was aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit zu einer ungleichmäßigen Gesamtwärme führt und gewisse thermische Spannungen erzeugt. Diese thermische Spannung entsteht aufgrund des Temperaturunterschieds und wird als temporäre Spannung bezeichnet.

Es ist zu beachten, dass die üblicherweise verarbeiteten Quarzkernstäbe unterschiedliche chemische Substanzen enthalten und daher zu einer ungleichmäßigen Erwärmung neigen. Daher sollte nach dem Spleißen die Flamme verwendet werden, um den Stabkörper gleichmäßig zu erhitzen, damit der Gesamttemperaturgradient so gleichmäßig wie möglich wird und die vorübergehende Belastung des Quarzkernstabs deutlich verringert wird.

Wenn Glas von oberhalb der Kühltemperatur abkühlt, verschwindet die durch den Temperaturunterschied erzeugte thermische Spannung nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur nicht vollständig, sodass eine gewisse Spannung im Glas verbleibt. Das Ausmaß der permanenten Spannung hängt von der Abkühlgeschwindigkeit oberhalb der Kühltemperatur, der Viskosität des Quarzglases, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Dicke des Produkts ab.

Wie oben erwähnt, wirkt sich die nach der Verarbeitung des Quarzstabs entstehende Dauerspannung auf die nachfolgende Verarbeitung und Produktion aus. Daher kann die Dauerspannung nur durch Glühen beseitigt werden.

Im Allgemeinen werden Glasprodukte nach der Verarbeitung geglüht. Unter Glühen versteht man einen Wärmebehandlungsprozess zwischen der Übergangstemperatur und der Dehnungspunkttemperatur, um während des Herstellungsprozesses erzeugte thermische Spannungen zu beseitigen. Normalerweise gilt: Je größer der Ausdehnungskoeffizient des Glases, je größer der Durchmesser und je komplexer der Produktzustand, desto stärker die Spannung. Wie bereits erwähnt, hat der kontaktierte Quarzstab einen großen Durchmesser und enthält gemischte Kernstäbe, sodass eine strenge Wärmebehandlung erforderlich ist, um Spannungen abzubauen.

Bei der tatsächlichen Produktion ist es unmöglich, die Spannung im Stabkörper während des Glühens des Quarzstabs vollständig zu beseitigen. Die Restmenge ist jedoch so gering, dass sie selbst unter einem Polariskop nicht leicht zu erkennen ist.

Theoretisch bedeutet die höchste Glühtemperatur, dass 95 % der Spannung nach 3 Minuten abgebaut werden können; die niedrigste Glühtemperatur führt zu einer Spannungsfreisetzung von 5 % nach 3 Minuten. In der Produktionspraxis ist die üblicherweise verwendete Temperatur 50 °C niedriger als die höchste Glühtemperatur und 100 °C höher als die niedrigste Glühtemperatur. Es gibt viele Möglichkeiten zum Glühen, aber die wichtigste Methode ist das Glühen in einem Ofen, auf das sich diese Diskussion konzentriert.

Gemäß dem oben genannten Glühprinzip wird das Glühen von Quarzglas in vier Phasen unterteilt: Heizphase, Phase bei konstanter Temperatur, Kühlphase und Phase der natürlichen Abkühlung.

1. Heizstufe Bei Quarzglas basiert diese Arbeit auf den Glühanforderungen optischer Produkte. Der gesamte Heizprozess umfasst eine langsame Erwärmung auf 1100 °C. Erfahrungsgemäß beträgt der Temperaturanstieg 4,5/R² °C/min, wobei R der Radius des Quarzglasprodukts ist.
2. Konstanttemperaturstufe Wenn der Quarzstab die tatsächlich höchste Glühtemperatur erreicht, wird der Ofenkörper auf einer konstanten Temperatur gehalten, um eine gleichmäßige Erwärmung des Produkts sicherzustellen und es für den nächsten Abkühlungsschritt vorzubereiten.
3. Kühlphase Um beim Abkühlen des Quarzstabes dauerhafte Spannungen zu vermeiden oder nur sehr geringe zu erzeugen, sollte die Temperatur langsam gesenkt werden, um einen großen Temperaturgradienten zu vermeiden. Die Abkühlgeschwindigkeiten sind wie folgt:
   • 1100°C bis 950°C: 15°C/Stunde
   • 950°C bis 750°C: 30°C/Stunde
   • 750°C bis 450°C: 60°C/Stunde
4. Natürliche Kühlphase Unter 450 °C wird die Stromversorgung des Glühofens abgeschaltet und die Umgebung wird ohne Änderung der Isolierumgebung aufrechterhalten, bis sie auf natürliche Weise auf unter 100 °C abkühlt. Unter 100 °C wird die Isolierumgebung geöffnet und sie kühlt auf Raumtemperatur ab.

Die Zeit und Temperatur, die in den obigen Schritten verwendet werden, basieren auf theoretischen und praktischen Ergebnissen in der Produktion. Abbildung 1 zeigt fehlerhafte experimentelle Produkte aufgrund ungleichmäßiger Erwärmung, die durch zu kurze Erwärmung oder konstante Temperaturzeit verursacht wird.

Bei der Herstellung und Verarbeitung von Quarzglas entstehen in den Produkten in jedem Stadium Spannungen, ob vorübergehend oder dauerhaft. Methoden wie „Flamme“, „HF-Säure“ und „Glühofen“ können verwendet werden, um vorübergehende Spannungen zu entfernen oder dauerhafte Spannungen zu reduzieren. Die Beseitigung von Spannungen ist entscheidend für die Verbesserung der mechanischen Stabilität und optischen Gleichmäßigkeit von Quarzprodukten.

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