Tutkimus kvartsilasin prosessointi- ja hehkutustekniikoista

Tämä kvartsilasin käsittely- ja hehkutustekniikoita koskeva tutkimus on suunnattu valokuitutuotantoon ja siihen liittyviin projekteihin. Se pyrkii parantamaan kvartsituotteiden stabiilisuutta korkeissa ja normaaleissa lämpötiloissa käytännössä varmistaen tuotteiden sujuvan käytön erilaisissa skenaarioissa.

Kvartsilasi luokitellaan käsittelymenetelmien, käyttötarkoitusten ja ulkonäön mukaan, kuten sulatettu läpinäkyvä kvartsilasi, sulatettu kvartsilasi, kaasujalostettu läpinäkyvä kvartsilasi, synteettinen kvartsilasi, läpinäkymätön kvartsilasi, optinen kvartsilasi, puolijohteiden kvartsilasi ja kvartsi lasit sähkövalonlähteisiin. Ne on jaettu kahteen pääluokkaan: läpinäkyvä ja läpinäkymätön. Puhtauden perusteella se jaetaan kolmeen luokkaan: erittäin puhdas, tavallinen ja seostettu.

Korkeita lämpötiloja kestävän kvartsilasin devitrifikaatio on luontainen vika. Kvartsilasilla on suurempi sisäenergia kuin kiteisellä kvartsilla, mikä tekee siitä termodynaamisesti epävakaan metastabiilin tilan. SiO2-molekyylit kiihdyttävät värähtelyä ja muodostavat kiteitä pitkäaikaisen uudelleenjärjestelyn ja orientaation jälkeen. Kiteytyminen tapahtuu pääasiassa pinnalla, jota seuraa sisäisiä vikoja, koska nämä alueet ovat alttiita kontaminaatiolle, mikä johtaa epäpuhtaus-ionien paikalliseen kertymiseen. Erityisesti alkali-ionit (kuten K, Na, Li, Ca, Mg) vähentävät viskositeettia joutuessaan verkkoon, mikä kiihdyttää devitrifikaatiota.

Tässä artikkelissa käsitellään prosessoituja kvartsikomponentteja, jotka kattavat vain läpinäkyvän synteettisen kondensaattorikvartsilasin.

Kvartsilasia prosessoitaessa käytetään tyypillisesti vety-happiliekkiä, jonka käsittelylämpötila on noin 1500-1600°C.

Lasi on huono lämmönjohdin. Kun kvartsilasin pala (ilman painetta) kuumennetaan tai jäähdytetään, kvartsilasin ulkokerros kuumennetaan tai alkaa jäähtyä ensin ja sisäinen lasi kuumennetaan (lämmönjohtavuus siirtää ulkoista lämpöä sisälle) tai jäähdytetään sen jälkeen. . Tämä luo lämpötilaeron kvartsilasin pinnan ja sisäosan välille. Kuumennettaessa suoraan lämmitetyn kvartsilasin pintalämpötila on korkea ja lämpöä vastaanottavan kvartsilasin sisälämpötila on alhainen, mikä aiheuttaa lämmitetyn kvartsilasin ulkokerroksen laajenemisen. Alemman lämpötilan sisäosa yrittää säilyttää alkuperäisen tilansa, mikä estää ulkokerroksen laajenemisen. Siten kvartsilasissa tapahtuu laajenemista ja paisumisen estoa, mikä luo kahden tyyppistä jännitystä vuorovaikutuksesta: puristusjännitys ja vetojännitys. Voimaa, joka yrittää estää kvartsilasin ulkokerroksen laajenemisen sisäänpäin ja vaikuttaa ulkokerrokseen, kutsutaan puristusjännitykseksi, kun taas sisäänpäin laajenevan kvartsilasin ulkokerroksen kohdistamaa voimaa kutsutaan vetojännitykseksi.

Koska kvartsilasin puristuslujuus on paljon suurempi kuin sen vetolujuus, kvartsilasin sisä- ja ulkokerros kestävät merkittäviä lämpötilaeroja lämmityksen aikana. Lampulla käsiteltäessä kvartsilasia voidaan lämmittää suoraan vety-happiliekissä rikkoutumatta. Päinvastoin, kun kvartsilasi, joka on kuumennettu vähintään 500 °C:seen, laitetaan jäähdytysveteen, se halkeilee helposti.

Lamppukäsittelyn synnyttämä jännitysjakauma on suunnilleen seuraava:

1. Stressi pyörivässä sulamisessa Käyttäjän kädet pyörittävät ja sulattavat lasiputken polttimen liekissä. Koska lasiputki kuumennetaan pyörittämällä sulassa osassa, jännitys ilmenee ympyräviivoina.
2. Stressi sivusulamisessa Kvartsiputkien aukkojen, sivuliitäntöjen ja poikittaisen sisäytimen hitsauksessa kvartsiputki ei pyöri, mikä johtaa erilaiseen jännitysjakaumaan kuin edellä mainittiin. Tällä hetkellä jännitys jakautuu sulan osan ympärille.
3. Stressi rengasnivelissä Rengasliitokset viittaavat sisäytimen hitsaukseen.
4. Stressi takkituotteiden suljetuissa päissä Kvartsiinstrumenttitakkituotteita on eri muodoissa, mutta ne ovat kaikki sinetöityjä. Esimerkiksi tavallisessa suorassa lauhdutinputkessa, kun molemmat päät on tiivistetty, jännitys ei kohdistu ainoastaan ulkovaippaan vaan myös sisäytimeen, mikä johtaa merkittävään jännitykseen.

Jännityksen suuruus vaihtelee lämpötilaeron ja kvartsilasin paksuuden mukaan. Mitä suurempi lämpötilaero ja paksumpi lasi, sitä suurempi jännitys. Siksi stressin poistaminen on erityisen tärkeää.

Kvartsilasituotteiden lämpöjännitys voidaan jakaa tilapäiseen ja pysyvään jännitykseen.

Tilapäinen jännitys syntyy, kun lasin lämpötilan muutos on alle venytyspisteen lämpötilan, mikä johtaa epätasaiseen kokonaislämpöön huonon lämmönjohtavuuden vuoksi, mikä luo tiettyä lämpöjännitystä. Tämä lämpöjännitys johtuu lämpötilaerosta ja tunnetaan väliaikaisena jännityksenä.

On huomattava, että koska tavallisesti käsitellyt kvartsisydänsauvat sisältävät erilaisia kemiallisia aineita, ne ovat alttiita epätasaiselle kuumenemiselle. Siksi liitoksen jälkeen liekkiä tulisi käyttää tangon rungon tasaiseen lämmittämiseen, jolloin kokonaislämpötilagradientti tulee mahdollisimman tasaiseksi, mikä vähentää merkittävästi kvartsiydintangon tilapäistä jännitystä.

Kun lasi jäähtyy venymäpistelämpötilan yläpuolelta, lämpötilaeron synnyttämä lämpöjännitys ei katoa kokonaan huoneenlämpötilaan jäähtymisen jälkeen, jolloin lasiin jää jonkin verran jännitystä. Pysyvän jännityksen suuruus riippuu jännityspisteen lämpötilan yläpuolella olevasta jäähtymisnopeudesta, kvartsilasin viskositeetista, lämpölaajenemiskertoimesta ja tuotteen paksuudesta.

Kuten edellä mainittiin, kvartsitangon käsittelyn jälkeen syntyvä pysyvä jännitys vaikuttaa myöhempään käsittelyyn ja tuotantoon. Siksi pysyvä stressi voidaan poistaa vain hehkuttamalla.

Yleensä lasituotteet hehkutetaan käsittelyn jälkeen. Hehkutus viittaa lämpökäsittelyprosessiin siirtymälämpötilan ja venymäpistelämpötilan välillä valmistusprosessin aikana syntyvän lämpörasituksen eliminoimiseksi. Tyypillisesti mitä suurempi lasin laajenemiskerroin, mitä suurempi halkaisija ja monimutkaisempi tuotteen tila, sitä ankarampi on jännitys. Kuten aiemmin mainittiin, kvartsisauvalla, joka on kosketuksissa, on suuri halkaisija ja se sisältää sekoitettuja ydinsauvoja, joten tiukka lämpökäsittely vaaditaan jännityksen poistamiseksi.

Varsinaisessa tuotannossa on mahdotonta täysin poistaa jännitystä sauvan rungosta kvartsisauvan hehkutuksen aikana. Jäännösmäärä on kuitenkin niin pieni, että sitä ei ole helppo havaita edes polariskoopilla.

Teoreettisesti korkein hehkutuslämpötila tarkoittaa, että 95% jännitystä voidaan poistaa 3 minuutin kuluttua; alin hehkutuslämpötila johtaa 5% jännityksen vapautumiseen 3 minuutin kuluttua. Tuotantokäytännössä yleisesti käytetty lämpötila on 50°C alempi kuin korkein hehkutuslämpötila ja 100°C korkeampi kuin alhaisin hehkutuslämpötila. Hehkutustapoja on monia, mutta päämenetelmä on hehkutus uunissa, joka on tämän keskustelun painopiste.

Edellä mainitun hehkutusperiaatteen mukaan kvartsilasin hehkutus on jaettu neljään vaiheeseen: lämmitysvaihe, vakiolämpötilavaihe, jäähdytysvaihe ja luonnollinen jäähdytysvaihe.

1. Lämmitysvaihe Kvartsilasin osalta tämä työ perustuu optisten tuotteiden hehkutusvaatimuksiin. Koko lämmitysprosessi sisältää hitaan lämmityksen 1100 °C:seen. Kokemuksen mukaan lämpötilan nousu on 4,5/R²°C/min, missä R on kvartsilasituotteen säde.
2. Vakiolämpötilavaihe Kun kvartsisauva saavuttaa todellisen korkeimman hehkutuslämpötilan, uunin runko pidetään vakiolämpötilassa tuotteen tasaisen kuumenemisen varmistamiseksi ja valmistelee sitä seuraavaa jäähdytysvaihetta varten.
3. Jäähdytysvaihe Kvartsisauvan jäähdytysprosessin aikana esiintyvän erittäin pienen pysyvän jännityksen poistamiseksi tai tuottamiseksi lämpötilaa tulee laskea hitaasti suuren lämpötilagradientin estämiseksi. Jäähdytysnopeudet ovat seuraavat:
   • 1100°C - 950°C: 15°C/tunti
   • 950 °C - 750 °C: 30 °C/tunti
   • 750 °C - 450 °C: 60 °C/tunti
4. Luonnollinen jäähdytysvaihe Alle 450 °C:n lämpötilassa hehkutusuunin virta katkaistaan ja ympäristöä ylläpidetään eristysympäristöä muuttamatta, kunnes se luonnollisesti jäähtyy alle 100 °C:een. Alle 100 °C:ssa eristysympäristö avataan ja se jäähtyy huoneenlämpötilaan.

Yllä oleviin vaiheisiin kuluva aika ja lämpötila perustuvat teoreettisiin ja tuotantokäytännön tuloksiin. Kuvassa 1 on esitetty epäonnistuneita kokeellisia tuotteita, jotka johtuvat liian lyhyen kuumennusajan tai vakiolämpötilan aiheuttamasta epätasaisesta kuumenemisesta.

Kvartsilasin valmistus- ja jalostusprosessissa tuotteissa esiintyy jännitystä kaikissa vaiheissa, joko väliaikaisesti tai pysyvästi. Menetelmiä, kuten "liekki", "HF-happo" ja "hehkutusuuni", voidaan käyttää väliaikaisen jännityksen poistamiseen tai pysyvän jännityksen vähentämiseen. Jännityksen poistaminen on ratkaisevan tärkeää kvartsituotteiden mekaanisen vakauden ja optisen tasaisuuden parantamiseksi.

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 verkkosivusto tai ota yhteyttä sähköpostitse osoitteeseen contact@globalquartztube.com.