Kvartsklaasi töötlemise ja lõõmutamise tehnikate uurimine

See kvartsklaasi töötlemise ja lõõmutamise tehnikaid käsitlev uurimus on suunatud kiudoptilisele tootmisele ja sellega seotud projektidele. Selle eesmärk on praktika abil parandada kvartstoodete stabiilsust kõrgetel ja normaalsetel temperatuuridel, tagades toodete sujuva kasutamise erinevates stsenaariumides.

Kvartsklaasi klassifitseeritakse töötlemismeetodite, kasutusalade ja välimuse järgi, näiteks sulatatud läbipaistev kvartsklaas, sulatatud kvartsklaas, gaasrafineeritud läbipaistev kvartsklaas, sünteetiline kvartsklaas, läbipaistmatu kvartsklaas, optiline kvartsklaas, pooljuhtide kvartsklaas ja kvarts klaas elektriliste valgusallikate jaoks. Need on jagatud kahte põhikategooriasse: läbipaistvad ja läbipaistmatud. Puhtuse alusel jaguneb see kolme kategooriasse: kõrge puhtusastmega, tavaline ja legeeritud.

Kõrgtemperatuurikindla kvartsklaasi devitrifikatsioon on omane defekt. Kvartsklaasil on suurem siseenergia kui kristallilisel kvartsil, mistõttu on see termodünaamiliselt ebastabiilne metastabiilne olek. SiO2 molekulid kiirendavad vibratsiooni ja moodustavad pärast pikaajalist ümberkorraldamist ja orientatsiooni kristalle. Kristallisatsioon toimub peamiselt pinnal, millele järgnevad sisemised defektid, kuna need alad on altid saastumisele, mis põhjustab lisandite ioonide lokaalset kogunemist. Eelkõige vähendavad leeliseioonid (nagu K, Na, Li, Ca, Mg) võrku sisenemisel viskoossust, kiirendades devitrifikatsiooni.

Selles artiklis käsitletakse töödeldud kvartskomponente, hõlmates ainult läbipaistvat sünteetilise kondensaatoriga kvartsklaasi.

Kvartsklaasi töötlemisel kasutatakse tavaliselt vesinik-hapniku leeki, mille töötlemistemperatuur on umbes 1500-1600 °C.

Klaas on halb soojusjuht. Kui kvartsklaasi tükk (ilma rõhuta) kuumutatakse või jahutatakse, siis kvartsklaasi välimine kiht soojeneb või hakkab kõigepealt jahtuma ning sisemine klaas kuumeneb (soojusjuhtivus kannab välissoojuse sisemusse) või jahutatakse pärast seda. . See tekitab temperatuuri erinevuse kvartsklaasi pinna ja sisemuse vahel. Kuumutamisel on otse kuumutatud kvartsklaasi pinnatemperatuur kõrge ja soojust vastuvõtva kvartsklaasi sisetemperatuur madal, mistõttu kuumutatud kvartsklaasi välimine kiht laieneb. Madalama temperatuuriga sisemus püüab säilitada oma algset olekut, takistades väliskihi laienemist. Seega tekivad kvartsklaasi sees paisumine ja paisumisvastane toime, tekitades interaktsiooni tõttu kahte tüüpi pingeid: survepinge ja tõmbepinge. Kvartsklaasi väliskihi sissepoole paisumist ja väliskihile mõjuvat jõudu nimetatakse survepingeks, sissepoole paisuva kvartsklaasi väliskihi poolt avaldatavat jõudu aga tõmbepingeks.

Kuna kvartsklaasi survetugevus on palju suurem kui selle tõmbetugevus, taluvad kvartsklaasi sisemine ja välimine kiht kuumutamisel olulisi temperatuuride erinevusi. Lambiga töötlemisel saab kvartsklaasi otse kuumutada vesinik-hapniku leegis ilma purunemata. Vastupidi, kui kvartsklaas, mis on kuumutatud temperatuurini 500 °C või rohkem, asetatakse jahutusvette, puruneb see kergesti.

Lambi töötlemisel tekkiv pingejaotus on ligikaudu järgmine:

1. Stress pöörlevas sulamises Operaatori käed pöörlevad ja sulatavad klaastoru põleti leegis. Kuna klaastoru kuumutatakse pigem pöörlemise teel kui sulas osas, avaldub pinge ringjoontena.
2. Stress külgmisel sulamisel Kvartstorude avade, külgühenduste ja põikisuunalise sisemise südamiku keevitamise korral kvartstoru ei pöörle, mille tulemuseks on eelpool nimetatust erinev pingejaotus. Sel ajal jaotub pinge sulaosa ümber.
3. Stress rõngasliigestes Rõngasühendused viitavad sisemise südamiku keevitamisele.
4. Stress jopetoodete suletud otstes Kvartsist instrumendi mantlitooted on erineval kujul, kuid kõik on suletud. Näiteks tavalise sirge kondensaatoritoru puhul, kui mõlemad otsad on suletud, ei avalda pinge mitte ainult väliskest, vaid ka sisemist südamikku, mis põhjustab märkimisväärset pinget.

Pinge suurus varieerub sõltuvalt kvartsklaasi temperatuuride erinevusest ja paksusest. Mida suurem on temperatuuride vahe ja paksem klaas, seda suurem on pinge. Seetõttu on stressi eemaldamine eriti oluline.

Kvartsklaasist toodete termilise pinge võib jagada ajutiseks ja püsivaks pingeks.

Ajutine pinge tekib siis, kui klaasi temperatuurimuutus on alla deformatsioonipunkti temperatuuri, mille tulemuseks on ebaühtlane kogusoojus halva soojusjuhtivuse tõttu, tekitades teatud termilise pinge. See termiline pinge tekib temperatuuride erinevuse tõttu ja seda nimetatakse ajutiseks pingeks.

Tuleb märkida, et kuna tavaliselt töödeldavad kvartsist südamikuga vardad sisaldavad erinevaid keemilisi aineid, on need ebaühtlaselt kuumenevad. Seetõttu tuleks pärast splaissimist kasutada leeki varda korpuse ühtlaseks soojendamiseks, muutes üldise temperatuurigradienti võimalikult sujuvaks, vähendades oluliselt kvartsi südamiku varda ajutist pinget.

Kui klaas jahtub üle deformatsioonipunkti temperatuuri, ei kao temperatuuride erinevusest tekkiv termiline pinge pärast jahutamist toatemperatuurile täielikult, jättes klaasi teatud pinge. Püsipinge suurus sõltub jahutuskiirusest üle deformatsioonipunkti temperatuuri, kvartsklaasi viskoossusest, soojuspaisumistegurist ja toote paksusest.

Nagu eespool mainitud, mõjutab pärast kvartsvarda töötlemist tekkiv püsiv pinge edasist töötlemist ja tootmist. Seetõttu saab püsivat stressi kõrvaldada ainult lõõmutamise teel.

Tavaliselt lõõmutatakse klaastooted pärast töötlemist. Lõõmutamine viitab kuumtöötlusprotsessile üleminekutemperatuuri ja deformatsioonipunkti temperatuuri vahel, et kõrvaldada tootmisprotsessi käigus tekkiv termiline stress. Tavaliselt, mida suurem on klaasi paisumiskoefitsient, mida suurem on läbimõõt ja mida keerulisem on toote olek, seda tugevam on pinge. Nagu varem mainitud, on kontaktis olev kvartsvarras suure läbimõõduga ja sisaldab segatud südamikuga vardaid, seega on pinge eemaldamiseks vaja ranget kuumtöötlust.

Tegelikus tootmises on kvartsvarda lõõmutamise ajal varda korpuses tekkivat pinget võimatu täielikult kõrvaldada. Jääkkogus on aga nii väike, et seda pole lihtne tuvastada isegi polariskoobi all.

Teoreetiliselt tähendab kõrgeim anniilimistemperatuur seda, et 95% pingest saab kõrvaldada 3 minuti pärast; madalaim anniilimistemperatuur annab 5% pingevabastuse 3 minuti pärast. Tootmispraktikas on tavaliselt kasutatav temperatuur kõrgeimast lõõmutamistemperatuurist 50 °C madalam ja madalaimast lõõmutamistemperatuurist 100 °C kõrgem. Lõõmutamiseks on palju viise, kuid peamine meetod on lõõmutamine ahjus, mis on selle arutelu keskmes.

Eespool mainitud lõõmutamise põhimõtte kohaselt jaguneb kvartsklaasi lõõmutamine neljaks etapiks: kuumutamise etapp, konstantse temperatuuri staadium, jahutusaste ja loomulik jahutusaste.

1. Kütteetapp Kvartsklaasi puhul põhineb see töö optiliste toodete lõõmutamisnõuetel. Kogu kuumutamisprotsess hõlmab aeglast kuumutamist temperatuurini 1100 °C. Kogemuste kohaselt on temperatuuri tõus 4,5/R²°C/min, kus R on kvartsklaasist toote raadius.
2. Konstantse temperatuuri staadium Kui kvartsvarras saavutab tegeliku kõrgeima lõõmutamistemperatuuri, hoitakse ahju korpust konstantsel temperatuuril, et tagada toote ühtlane kuumutamine, valmistades selle ette järgmiseks jahutusetapiks.
3. Jahutusetapp Kvartsvarda jahutamise ajal väga väikese püsiva pinge kõrvaldamiseks või tekitamiseks tuleks temperatuuri aeglaselt alandada, et vältida suurt temperatuurigradienti. Jahutuskiirused on järgmised:
   • 1100°C kuni 950°C: 15°C/tunnis
   • 950°C kuni 750°C: 30°C/tunnis
   • 750°C kuni 450°C: 60°C/tunnis
4. Looduslik jahutusstaadium Alla 450°C lülitatakse lõõmutusahju toide välja ja keskkonda hoitakse ilma isolatsioonikeskkonda muutmata, kuni see loomulikult jahtub alla 100°C. Alla 100°C isolatsioonikeskkond avatakse ja see jahtub toatemperatuurini.

Ülaltoodud etappides kasutatud aeg ja temperatuur põhinevad teoreetilistel ja tootmispraktika tulemustel. Joonisel 1 on näidatud ebaõnnestunud katsetooted, mis on tingitud liiga lühikesest kuumutamisest või püsivast temperatuurist tingitud ebaühtlasest kuumutamisest.

Kvartsklaasi tootmise ja töötlemise protsessis esineb toodetes stressi igal etapil, olgu see siis ajutine või püsiv. Ajutise pinge eemaldamiseks või püsiva stressi vähendamiseks saab kasutada selliseid meetodeid nagu "leek", "HF-hape" ja "lõõmutusahi". Pinge eemaldamine on kvartstoodete mehaanilise stabiilsuse ja optilise ühtluse parandamiseks ülioluline.

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 veebisait või võtke meiega ühendust e-posti teel aadressil contact@globalquartztube.com.