Investigación sobre técnicas de procesamiento y recocido del vidrio de cuarzo

Esta investigación sobre las técnicas de procesamiento y recocido del vidrio de cuarzo está dirigida a la producción de fibra óptica y proyectos relacionados. Busca mejorar la estabilidad de los productos de cuarzo a temperaturas altas y normales mediante la práctica, garantizando una aplicación fluida de los productos en diversos escenarios.

El vidrio de cuarzo se clasifica según sus métodos de procesamiento, usos y apariencia, como vidrio de cuarzo transparente fundido, vidrio de cuarzo fundido, vidrio de cuarzo transparente refinado con gas, vidrio de cuarzo sintético, vidrio de cuarzo opaco, vidrio de cuarzo óptico, vidrio de cuarzo para semiconductores y cuarzo. Vidrio para fuentes de luz eléctrica. Estos se dividen en dos categorías principales: transparentes y opacos. Según su pureza, se divide en tres categorías: alta pureza, ordinaria y dopada.

La desvitrificación del vidrio de cuarzo resistente a altas temperaturas es un defecto inherente. El vidrio de cuarzo tiene mayor energía interna que el cuarzo cristalino, lo que lo convierte en un estado metaestable termodinámicamente inestable. Las moléculas de SiO2 aceleran la vibración y forman cristales después de una reorganización y orientación a largo plazo. La cristalización se produce principalmente en la superficie, seguida de defectos internos, ya que estas áreas son propensas a la contaminación, lo que lleva a una acumulación localizada de iones de impurezas. En particular, los iones alcalinos (como K, Na, Li, Ca, Mg) reducen la viscosidad al ingresar a la red, acelerando la desvitrificación.

Este artículo analiza los componentes de cuarzo procesados y cubre únicamente el vidrio de cuarzo sintético transparente para condensadores.

Cuando se procesa vidrio de cuarzo, normalmente se utiliza una llama de hidrógeno y oxígeno, con una temperatura de procesamiento de aproximadamente 1500-1600°C.

El vidrio es un mal conductor del calor. Cuando se calienta o enfría una pieza de vidrio de cuarzo (sin presión), la capa exterior del vidrio de cuarzo se calienta directamente o comienza a enfriarse primero, y el vidrio interno se calienta (la conducción de calor transfiere el calor externo al interior) o se enfría después. . Esto crea una diferencia de temperatura entre la superficie y el interior del vidrio de cuarzo. Cuando se calienta, la temperatura de la superficie del vidrio de cuarzo calentado directamente es alta y la temperatura interna del vidrio de cuarzo que recibe calor es baja, lo que hace que la capa exterior del vidrio de cuarzo calentado se expanda. El interior a menor temperatura intenta mantener su estado original, dificultando la expansión de la capa exterior. Así, dentro del vidrio de cuarzo se produce expansión y antiexpansión, creando dos tipos de tensión debido a la interacción: tensión de compresión y tensión de tracción. La fuerza que intenta evitar que la capa exterior de vidrio de cuarzo se expanda hacia adentro y actúe sobre la capa exterior se llama tensión de compresión, mientras que la fuerza ejercida por la capa exterior de vidrio de cuarzo que se expande hacia adentro se conoce como tensión de tracción.

Dado que la resistencia a la compresión del vidrio de cuarzo es mucho mayor que su resistencia a la tracción, las capas interior y exterior del vidrio de cuarzo pueden soportar diferencias de temperatura significativas durante el calentamiento. Cuando se procesa con una lámpara, el vidrio de cuarzo se puede calentar directamente en una llama de hidrógeno y oxígeno sin romperse. Por el contrario, cuando el vidrio de cuarzo calentado a 500°C o más se coloca en agua fría, se agrieta fácilmente.

La distribución de tensiones generada por el procesamiento de la lámpara es aproximadamente la siguiente:

1. Estrés en la fusión rotacional Las manos del operador giran y derriten el tubo de vidrio en la llama del soplete. Dado que el tubo de vidrio se calienta mediante rotación y no en la parte fundida, la tensión se manifiesta como líneas circulares.
2. Estrés en la fusión lateral Para aberturas, conexiones laterales y soldadura transversal del núcleo interno de tubos de cuarzo, el tubo de cuarzo no gira, lo que resulta en una distribución de tensión diferente a la mencionada anteriormente. En este momento, la tensión se distribuye alrededor de la pieza fundida.
3. Tensión en las juntas anulares Las juntas de anillo se refieren a la soldadura del núcleo interior.
4. Tensión en los extremos sellados de los productos tipo chaqueta Los productos de chaquetas de instrumentos de cuarzo vienen en varias formas, pero todos están sellados. Por ejemplo, en un tubo de condensador recto estándar, cuando ambos extremos están sellados, la tensión está presente no solo en la camisa exterior sino también en el núcleo interior, lo que genera una tensión significativa.

La magnitud de la tensión varía con la diferencia de temperatura y el espesor del vidrio de cuarzo. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura y más grueso sea el vidrio, mayor será la tensión. Por lo tanto, la eliminación del estrés es particularmente importante.

El estrés térmico en los productos de vidrio de cuarzo se puede dividir en estrés temporal y estrés permanente.

La tensión temporal ocurre cuando el cambio de temperatura del vidrio está por debajo de la temperatura del punto de deformación, lo que resulta en un calor total desigual debido a la mala conductividad térmica, lo que crea cierta tensión térmica. Este estrés térmico existe debido a la diferencia de temperatura y se conoce como estrés temporal.

Cabe señalar que, dado que las varillas de núcleo de cuarzo que normalmente se procesan contienen diferentes sustancias químicas, son propensas a un calentamiento desigual. Por lo tanto, después del empalme, se debe usar la llama para calentar uniformemente el cuerpo de la varilla, haciendo que el gradiente de temperatura general sea lo más suave posible, reduciendo significativamente la tensión temporal de la varilla con núcleo de cuarzo.

Cuando el vidrio se enfría por encima de la temperatura del punto de deformación, la tensión térmica generada por la diferencia de temperatura no desaparece por completo después de enfriarse a temperatura ambiente, dejando algo de tensión en el vidrio. La magnitud de la tensión permanente depende de la velocidad de enfriamiento por encima de la temperatura del punto de deformación, la viscosidad del vidrio de cuarzo, el coeficiente de expansión térmica y el espesor del producto.

Como se mencionó anteriormente, la tensión permanente generada después del procesamiento de la varilla de cuarzo afecta el procesamiento y la producción posteriores. Por lo tanto, la tensión permanente sólo puede eliminarse mediante el recocido.

Generalmente, los productos de vidrio se recocen después del procesamiento. El recocido se refiere a un proceso de tratamiento térmico entre la temperatura de transición y la temperatura del punto de deformación para eliminar el estrés térmico generado durante el proceso de fabricación. Normalmente, cuanto mayor es el coeficiente de expansión del vidrio, mayor es el diámetro y cuanto más complejo es el estado del producto, más severa es la tensión. Como se mencionó anteriormente, la varilla de cuarzo contactada tiene un diámetro grande y contiene varillas con núcleo mixto, por lo que se requiere un tratamiento térmico estricto para eliminar la tensión.

En la producción real, es imposible eliminar completamente la tensión dentro del cuerpo de la varilla durante el recocido de la varilla de cuarzo. Sin embargo, la cantidad residual es tan pequeña que no se detecta fácilmente ni siquiera con un polariscopio.

Teóricamente, la temperatura de recocido más alta significa que se pueden eliminar 95% de la tensión después de 3 minutos; la temperatura de recocido más baja da como resultado una liberación de tensión del 5% después de 3 minutos. En la práctica de producción, la temperatura comúnmente utilizada es 50°C más baja que la temperatura de recocido más alta y 100°C más alta que la temperatura de recocido más baja. Hay muchas formas de recocer, pero el método principal es el recocido en un horno, que es el tema central de esta discusión.

Según el principio de recocido mencionado anteriormente, el recocido del vidrio de cuarzo se divide en cuatro etapas: etapa de calentamiento, etapa de temperatura constante, etapa de enfriamiento y etapa de enfriamiento natural.

1. Etapa de calentamiento Para el vidrio de cuarzo, este trabajo se basa en los requisitos de recocido de los productos ópticos. Todo el proceso de calentamiento implica un calentamiento lento hasta 1100°C. Según la experiencia, el aumento de temperatura es de 4,5/R²°C/min, donde R es el radio del producto de vidrio de cuarzo.
2. Etapa de temperatura constante Cuando la varilla de cuarzo alcanza la temperatura de recocido más alta real, el cuerpo del horno se mantiene a una temperatura constante para garantizar un calentamiento uniforme del producto, preparándolo para el siguiente paso de enfriamiento.
3. Etapa de enfriamiento Para eliminar o producir muy poca tensión permanente durante el proceso de enfriamiento de la varilla de cuarzo, la temperatura debe reducirse lentamente para evitar un gran gradiente de temperatura. Las velocidades de enfriamiento son las siguientes:
   • 1100°C a 950°C: 15°C/hora
   • 950°C a 750°C: 30°C/hora
   • 750°C a 450°C: 60°C/hora
4. Etapa de enfriamiento natural Por debajo de 450°C, se apaga la alimentación del horno de recocido y el ambiente se mantiene sin cambiar el ambiente de aislamiento hasta que se enfría naturalmente por debajo de 100°C. Por debajo de 100°C, el ambiente de aislamiento se abre y se enfría a temperatura ambiente.

El tiempo y la temperatura involucrados en los pasos anteriores se basan en resultados teóricos y prácticos de producción. La Figura 1 muestra productos experimentales fallidos debido a un calentamiento desigual causado por un calentamiento demasiado corto o un tiempo de temperatura constante.

En el proceso de producción y procesamiento del vidrio de cuarzo, existe tensión en los productos en cualquier etapa, ya sea temporal o permanente. Se pueden utilizar métodos como “llama”, “ácido HF” y “horno de recocido” para eliminar la tensión temporal o reducir la tensión permanente. Eliminar la tensión es crucial para mejorar la estabilidad mecánica y la uniformidad óptica de los productos de cuarzo.

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