پژوهش در پردازش و شبيه سازي تکنیک های کوارتز شیشه ای

این تحقیق در مورد تکنیک های پردازش و بازپخت شیشه کوارتز با هدف تولید فیبر نوری و پروژه های مرتبط انجام شده است. این به دنبال بهبود پایداری محصولات کوارتز در دماهای بالا و معمولی از طریق تمرین است و از کاربرد روان محصولات در سناریوهای مختلف اطمینان حاصل می کند.

شیشه کوارتز بر اساس روش های پردازش، کاربردها و ظاهر طبقه بندی می شود، مانند شیشه کوارتز شفاف ذوب شده، شیشه کوارتز ذوب شده، شیشه کوارتز شفاف تصفیه شده با گاز، شیشه کوارتز مصنوعی، شیشه کوارتز مات، شیشه کوارتز نوری، شیشه کوارتز برای نیمه هادی ها و کوارتز. شیشه برای منابع نور الکتریکی اینها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: شفاف و مات. بر اساس خلوص به سه دسته خلوص بالا، معمولی و دوپینگ تقسیم می شود.

شیشه زدایی شیشه کوارتز مقاوم در برابر دمای بالا یک نقص ذاتی است. شیشه کوارتز انرژی داخلی بالاتری نسبت به کوارتز کریستالی دارد که آن را به یک حالت ناپایدار ترمودینامیکی تبدیل می کند. مولکول های SiO2 ارتعاش را تسریع می کنند و پس از تنظیم مجدد و جهت گیری طولانی مدت، کریستال ها را تشکیل می دهند. کریستالیزاسیون عمدتاً در سطح رخ می دهد و به دنبال آن نقص های داخلی رخ می دهد، زیرا این مناطق مستعد آلودگی هستند که منجر به تجمع موضعی یون های ناخالصی می شود. به ویژه، یون‌های قلیایی (مانند K، Na، Li، Ca، Mg) ویسکوزیته را هنگام ورود به شبکه کاهش می‌دهند و باعث تسریع تبدیل شدن به شیشه می‌شوند.

این مقاله اجزای کوارتز فرآوری شده را مورد بحث قرار می دهد که تنها شیشه کوارتز خازن مصنوعی شفاف را پوشش می دهد.

هنگام پردازش شیشه کوارتز، معمولاً از شعله هیدروژن-اکسیژن با دمای پردازش حدود 1500-1600 درجه سانتیگراد استفاده می شود.

شیشه یک رسانای ضعیف گرما است. هنگامی که یک تکه شیشه کوارتز (بدون فشار) گرم یا سرد می شود، لایه بیرونی شیشه کوارتز مستقیماً گرم می شود یا ابتدا شروع به سرد شدن می کند و شیشه داخلی گرم می شود (رسانایی گرما گرمای خارجی را به داخل منتقل می کند) یا پس از آن سرد می شود. . این باعث ایجاد اختلاف دما بین سطح و داخل شیشه کوارتز می شود. هنگامی که گرم می شود، دمای سطح شیشه کوارتز گرم شده مستقیم بالا است و دمای داخلی شیشه کوارتز دریافت کننده گرما کم است و باعث می شود لایه بیرونی شیشه کوارتز گرم شده منبسط شود. فضای داخلی با دمای پایین تر سعی می کند حالت اولیه خود را حفظ کند و مانع از گسترش لایه بیرونی شود. بنابراین، انبساط و ضد انبساط در داخل شیشه کوارتز رخ می دهد و دو نوع تنش به دلیل تعامل ایجاد می کند: تنش فشاری و تنش کششی. نیرویی که سعی می کند از انبساط لایه بیرونی شیشه کوارتز به سمت داخل جلوگیری کند و بر روی لایه بیرونی اثر بگذارد، تنش فشاری نامیده می شود، در حالی که نیروی وارد شده توسط لایه بیرونی شیشه کوارتز که به سمت داخل منبسط می شود به عنوان تنش کششی شناخته می شود.

از آنجایی که مقاومت فشاری شیشه کوارتز بسیار بیشتر از استحکام کششی آن است، لایه های داخلی و خارجی شیشه کوارتز می توانند تفاوت های دمایی قابل توجهی را در طول گرمایش تحمل کنند. هنگام پردازش با لامپ، شیشه کوارتز را می توان مستقیماً در شعله هیدروژن-اکسیژن بدون شکستن گرم کرد. برعکس، وقتی شیشه کوارتز گرم شده تا دمای 500 درجه سانتیگراد یا بالاتر در آب خنک کننده قرار می گیرد، به راحتی ترک می خورد.

توزیع تنش تولید شده توسط پردازش لامپ تقریباً به شرح زیر است:

1. تنش در ذوب چرخشی دست های اپراتور می چرخد و لوله شیشه ای را در شعله مشعل ذوب می کند. از آنجایی که لوله شیشه ای با چرخش گرم می شود نه در قسمت مذاب، تنش به صورت خطوط دایره ای ظاهر می شود.
2. استرس در ذوب جانبی برای دهانه ها، اتصالات جانبی و جوشکاری هسته داخلی عرضی لوله های کوارتز، لوله کوارتز نمی چرخد و در نتیجه توزیع تنش متفاوتی نسبت به آنچه در بالا ذکر شد ایجاد می کند. در این زمان تنش در اطراف قسمت مذاب پخش می شود.
3. استرس در مفاصل حلقه اتصالات حلقه به جوشکاری هسته داخلی اشاره دارد.
4. استرس در انتهای مهر و موم شده محصولات ژاکت محصولات ژاکت ابزار کوارتز در اشکال مختلف وجود دارند اما همگی مهر و موم شده اند. به عنوان مثال، در یک لوله کندانسور مستقیم استاندارد، زمانی که هر دو انتها آب بندی می شوند، تنش نه تنها بر روی ژاکت بیرونی بلکه بر روی هسته داخلی نیز وجود دارد که منجر به تنش قابل توجهی می شود.

مقدار تنش با اختلاف دما و ضخامت شیشه کوارتز متفاوت است. هر چه اختلاف دما بیشتر باشد و شیشه ضخیم تر باشد، تنش بیشتر می شود. بنابراین حذف استرس از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

تنش حرارتی در محصولات شیشه کوارتز را می توان به تنش موقت و تنش دائمی تقسیم کرد.

تنش موقت زمانی رخ می دهد که تغییر دمای شیشه کمتر از دمای نقطه کرنش باشد و در نتیجه گرمای کل ناهموار به دلیل هدایت حرارتی ضعیف ایجاد می شود و تنش حرارتی خاصی ایجاد می کند. این تنش حرارتی به دلیل اختلاف دما وجود دارد و به تنش موقت معروف است.

لازم به ذکر است که از آنجایی که میله های هسته کوارتز معمولاً پردازش می شوند حاوی مواد شیمیایی مختلفی هستند، در معرض حرارت ناهموار هستند. بنابراین، پس از اتصال، باید از شعله برای گرم کردن یکنواخت بدنه میله استفاده کرد و گرادیان دمای کلی را تا حد ممکن صاف کرد و به طور قابل توجهی تنش موقت میله هسته کوارتز را کاهش داد.

هنگامی که شیشه از بالای دمای نقطه کرنش سرد می شود، تنش حرارتی ایجاد شده توسط اختلاف دما پس از خنک شدن تا دمای اتاق کاملاً از بین نمی رود و مقداری تنش در شیشه باقی می ماند. بزرگی تنش دائمی به سرعت سرد شدن بالای دمای نقطه کرنش، ویسکوزیته شیشه کوارتز، ضریب انبساط حرارتی و ضخامت محصول بستگی دارد.

همانطور که در بالا ذکر شد، تنش دائمی ایجاد شده پس از پردازش میله کوارتز بر پردازش و تولید بعدی تأثیر می گذارد. بنابراین، استرس دائمی را فقط می توان از طریق بازپخت از بین برد.

به طور کلی، محصولات شیشه ای پس از پردازش آنیل می شوند. بازپخت به یک فرآیند عملیات حرارتی بین دمای انتقال و دمای نقطه کرنش برای حذف تنش حرارتی ایجاد شده در طول فرآیند تولید اشاره دارد. به طور معمول، هر چه ضریب انبساط شیشه بیشتر باشد، قطر بزرگتر و حالت محصول پیچیده تر، تنش شدیدتر است. همانطور که قبلا ذکر شد، میله کوارتزی که در تماس است قطر زیادی دارد و حاوی میله های هسته مخلوط است، بنابراین برای حذف تنش نیاز به عملیات حرارتی دقیق است.

در تولید واقعی، حذف کامل تنش در بدنه میله در طول بازپخت میله کوارتز غیرممکن است. با این حال، مقدار باقیمانده آنقدر ناچیز است که حتی در زیر پلاریسکوپ نیز به راحتی قابل تشخیص نیست.

از نظر تئوری، بالاترین دمای بازپخت به این معنی است که 95% تنش را می توان پس از 3 دقیقه از بین برد. کمترین دمای بازپخت منجر به آزاد شدن تنش 5% پس از 3 دقیقه می شود. در عمل تولید، دمای معمول استفاده شده 50 درجه سانتیگراد کمتر از بالاترین دمای بازپخت و 100 درجه سانتیگراد بالاتر از کمترین دمای بازپخت است. روش های زیادی برای آنیل وجود دارد، اما روش اصلی آنیل کردن در کوره است که محور این بحث است.

با توجه به اصل آنیل که در بالا ذکر شد، بازپخت شیشه کوارتز به چهار مرحله تقسیم می شود: مرحله گرمایش، مرحله دمای ثابت، مرحله خنک کننده و مرحله خنک کننده طبیعی.

1. مرحله گرمایش برای شیشه کوارتز، این کار بر اساس الزامات آنیلینگ محصولات نوری است. کل فرآیند گرمایش شامل حرارت آهسته تا 1100 درجه سانتیگراد است. طبق تجربه، افزایش دما 4.5/R² درجه سانتیگراد در دقیقه است که در آن R شعاع محصول شیشه کوارتز است.
2. مرحله دمای ثابت هنگامی که میله کوارتز به بالاترین دمای بازپخت واقعی می رسد، بدنه کوره در دمای ثابت نگه داشته می شود تا از گرمایش یکنواخت محصول اطمینان حاصل شود و آن را برای مرحله خنک کننده بعدی آماده می کند.
3. مرحله خنک سازی برای از بین بردن یا ایجاد تنش دائمی بسیار کمی در طول فرآیند خنک سازی میله کوارتز، دما باید به آرامی کاهش یابد تا از شیب دما زیاد جلوگیری شود. نرخ سرمایش به شرح زیر است:
   • 1100 درجه سانتی گراد تا 950 درجه سانتی گراد: 15 درجه سانتی گراد در ساعت
   • 950 درجه سانتی گراد تا 750 درجه سانتی گراد: 30 درجه سانتی گراد در ساعت
   • 750 درجه سانتی گراد تا 450 درجه سانتی گراد: 60 درجه سانتی گراد در ساعت
4. مرحله خنک کننده طبیعی در دمای زیر 450 درجه سانتی گراد، برق کوره آنیل قطع می شود و محیط بدون تغییر در محیط عایق تا زمانی که به طور طبیعی تا دمای زیر 100 درجه سانتی گراد خنک شود، حفظ می شود. در دمای زیر 100 درجه سانتیگراد، محیط عایق باز می شود و تا دمای اتاق خنک می شود.

زمان و دمای مربوط به مراحل فوق بر اساس نتایج تئوری و عملی تولید است. شکل 1 محصولات آزمایشی شکست خورده را به دلیل گرمایش ناهموار ناشی از گرمایش خیلی کوتاه یا زمان دمای ثابت نشان می دهد.

در فرآیند تولید و فرآوری شیشه کوارتز، تنش در محصولات در هر مرحله اعم از موقت یا دائمی وجود دارد. روش هایی مانند "شعله"، "HF اسید" و "کوره بازپخت" را می توان برای حذف تنش موقت یا کاهش استرس دائمی استفاده کرد. حذف تنش برای بهبود پایداری مکانیکی و یکنواختی نوری محصولات کوارتز بسیار مهم است.

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 سایت و یا با ما تماس بگیرید از طریق ایمیل در contact@globalquartztube.com.