מחקר על טכניקות עיבוד וחישול של זכוכית קוורץ

מחקר זה על טכניקות העיבוד והחישול של זכוכית קוורץ מכוון לייצור סיבים אופטיים ופרויקטים נלווים. היא שואפת לשפר את היציבות של מוצרי קוורץ בטמפרטורות גבוהות ונורמליות באמצעות תרגול, תוך הבטחת יישום חלק של מוצרים בתרחישים שונים.

זכוכית קוורץ מסווגת לפי שיטות עיבוד, שימושים ומראה, כגון זכוכית קוורץ שקופה מותכת, זכוכית קוורץ מותכת, זכוכית קוורץ שקופה מזוקקת בגז, זכוכית קוורץ סינתטית, זכוכית קוורץ אטומה, זכוכית קוורץ אופטית, זכוכית קוורץ למוליכים למחצה, וקוורץ זכוכית למקורות אור חשמליים. אלה מחולקים לשתי קטגוריות עיקריות: שקוף ואטום. בהתבסס על טוהר, הוא מחולק לשלוש קטגוריות: טוהר גבוה, רגיל ומסומם.

הפחתת זכוכית קוורץ עמידה לטמפרטורה גבוהה היא פגם מובנה. לזכוכית קוורץ יש אנרגיה פנימית גבוהה יותר מקוורץ גבישי, מה שהופך אותה למצב מטא-יציב מבחינה תרמודינמית. מולקולות SiO2 מאיצות את הרטט ויוצרות גבישים לאחר סידור מחדש והתמצאות ארוכת טווח. התגבשות מתרחשת בעיקר על פני השטח, ואחריה פגמים פנימיים, שכן אזורים אלו מועדים לזיהום, מה שמוביל להצטברות מקומית של יוני טומאה. במיוחד, יוני אלקלי (כגון K, Na, Li, Ca, Mg) מפחיתים את הצמיגות כאשר הם נכנסים לרשת, ומאיצים את דה-ויטריציית הזכוכית.

מאמר זה דן ברכיבי קוורץ מעובדים, המכסים רק זכוכית קוורץ קבלים סינתטיים שקופה.

בעת עיבוד זכוכית קוורץ, משתמשים בדרך כלל בלהבת מימן-חמצן, עם טמפרטורת עיבוד של כ-1500-1600 מעלות צלזיוס.

זכוכית היא מוליך גרוע של חום. כאשר חתיכת זכוכית קוורץ (ללא לחץ) מחוממת או מקוררת, השכבה החיצונית של זכוכית הקוורץ מתחממת ישירות או מתחילה להתקרר תחילה, והזכוכית הפנימית מחוממת (הולכת חום מעבירה חום חיצוני פנימה) או מתקררת לאחר מכן. . זה יוצר הבדל טמפרטורה בין פני השטח לבין הפנים של זכוכית הקוורץ. בעת חימום, טמפרטורת פני השטח של זכוכית הקוורץ המחוממת ישירות גבוהה, והטמפרטורה הפנימית של זכוכית הקוורץ המקבלת חום נמוכה, מה שגורם לשכבה החיצונית של זכוכית הקוורץ המחוממת להתרחב. פנים הטמפרטורה הנמוכה מנסה לשמור על מצבו המקורי, ומפריע להתרחבות השכבה החיצונית. לפיכך, התרחבות ואנטי-התרחבות מתרחשות בתוך זכוכית הקוורץ, ויוצרות שני סוגים של מתח כתוצאה מאינטראקציה: מתח לחיצה ומתח מתיחה. הכוח המנסה למנוע מהשכבה החיצונית של זכוכית הקוורץ להתרחב פנימה ולפעול על השכבה החיצונית נקרא לחץ דחיסה, בעוד שהכוח שמפעילה השכבה החיצונית של זכוכית הקוורץ המתרחבת פנימה ידוע כמתח מתיחה.

היות וחוזק הלחיצה של זכוכית קוורץ גדול בהרבה מחוזק המתיחה שלה, השכבות הפנימיות והחיצוניות של זכוכית הקוורץ יכולות לעמוד בהפרשי טמפרטורות משמעותיים במהלך החימום. בעת עיבוד עם מנורה, ניתן לחמם זכוכית קוורץ ישירות בלהבת מימן-חמצן מבלי להישבר. לעומת זאת, כאשר זכוכית קוורץ מחוממת ל-500 מעלות צלזיוס ומעלה מונחת במים מקררים, היא נסדקת בקלות.

התפלגות המתח שנוצרת על ידי עיבוד מנורה היא בערך כדלקמן:

1. מתח בהתכה סיבובית ידיו של המפעיל מסתובבות וממיסות את צינור הזכוכית בלהבת הלפיד. מכיוון שצינור הזכוכית מחומם על ידי סיבוב ולא בחלק המותך, הלחץ מתבטא בקווים מעגליים.
2. מתח בהמסת צד עבור פתחים, חיבורי צד וריתוך ליבה פנימית רוחבית של צינורות קוורץ, צינור הקוורץ אינו מסתובב, וכתוצאה מכך חלוקת מתח שונה מזו שהוזכרה לעיל. בשלב זה, הלחץ מופץ סביב החלק המותך.
3. מתח במפרקי הטבעת מפרקי טבעת מתייחסים לריתוך של הליבה הפנימית.
4. לחץ בקצוות אטומים של מוצרי ז'קט מוצרי ז'קט למכשירי קוורץ מגיעים בצורות שונות אך כולם אטומים. לדוגמה, בצינור קונדנסר ישר סטנדרטי, כאשר שני הקצוות אטומים, מתח קיים לא רק על המעיל החיצוני אלא גם על הליבה הפנימית, מה שמוביל ללחץ משמעותי.

גודל הלחץ משתנה עם הפרש הטמפרטורה ועובי זכוכית הקוורץ. ככל שהפרש הטמפרטורה גדול יותר והזכוכית עבה יותר, כך הלחץ גדול יותר. לכן, הסרת מתחים חשובה במיוחד.

ניתן לחלק מתח תרמי במוצרי זכוכית קוורץ ללחץ זמני וללחץ קבוע.

מתח זמני מתרחש כאשר שינוי הטמפרטורה של הזכוכית הוא מתחת לטמפרטורת נקודת המתח, וכתוצאה מכך חום כולל לא אחיד עקב מוליכות תרמית ירודה, ויוצר מתח תרמי מסוים. מתח תרמי זה קיים עקב הפרש הטמפרטורות וידוע כלחץ זמני.

יש לציין שמכיוון שמוטות ליבת הקוורץ המעובדים בדרך כלל מכילים חומרים כימיים שונים, הם נוטים להתחממות לא אחידה. לכן, לאחר שחבור, יש להשתמש בלהבה כדי לחמם באופן שווה את גוף המוט, מה שהופך את שיפוע הטמפרטורה הכללי לחלק ככל האפשר, ומפחית באופן משמעותי את הלחץ הזמני של מוט ליבת הקוורץ.

כאשר הזכוכית מתקררת מעל טמפרטורת נקודת המתח, הלחץ התרמי הנוצר מהפרש הטמפרטורה אינו נעלם לחלוטין לאחר הקירור לטמפרטורת החדר, ומשאיר מתח מסוים בזכוכית. גודל הלחץ הקבוע תלוי בקצב הקירור מעל טמפרטורת נקודת המתח, הצמיגות של זכוכית הקוורץ, מקדם ההתפשטות התרמית ועובי המוצר.

כאמור לעיל, הלחץ הקבוע שנוצר לאחר עיבוד מוט הקוורץ משפיע על העיבוד והייצור הבאים. לכן, מתח קבוע יכול להתבטל רק באמצעות חישול.

בדרך כלל, מוצרי זכוכית מחושלים לאחר עיבוד. חישול מתייחס לתהליך טיפול בחום בין טמפרטורת המעבר לטמפרטורת נקודת המתח כדי למנוע מתח תרמי שנוצר במהלך תהליך הייצור. בדרך כלל, ככל שמקדם ההתפשטות של הזכוכית גדול יותר, הקוטר גדול יותר ומצב המוצר מורכב יותר, כך הלחץ חמור יותר. כפי שצוין קודם לכן, למוט הקוורץ שנוגע אליו יש קוטר גדול והוא מכיל מוטות ליבה מעורבים, ולכן נדרש טיפול קפדני בחום להסרת מתח.

בייצור בפועל, אי אפשר לבטל לחלוטין את הלחץ בתוך גוף המוט במהלך חישול מוט הקוורץ. עם זאת, הכמות השיורית כל כך קטנה עד שהיא לא מתגלה בקלות אפילו מתחת לפולריסקופ.

תיאורטית, טמפרטורת החישול הגבוהה ביותר פירושה שניתן לבטל 95% מהלחץ לאחר 3 דקות; טמפרטורת החישול הנמוכה ביותר גורמת לשחרור מתח 5% לאחר 3 דקות. בפועל הייצור, הטמפרטורה הנפוצה נמוכה ב-50 מעלות צלזיוס מטמפרטורת החישול הגבוהה ביותר וב-100 מעלות צלזיוס גבוהה מטמפרטורת החישול הנמוכה ביותר. ישנן דרכים רבות לחשוף, אך השיטה העיקרית היא חישול בכבשן, שהיא מוקד הדיון הזה.

על פי עקרון החישול שהוזכר לעיל, חישול זכוכית קוורץ מחולק לארבעה שלבים: שלב חימום, שלב טמפרטורה קבועה, שלב קירור ושלב קירור טבעי.

1. שלב חימום עבור זכוכית קוורץ, עבודה זו מבוססת על דרישות החישול של מוצרים אופטיים. כל תהליך החימום כולל חימום איטי ל-1100 מעלות צלזיוס. על פי הניסיון, עליית הטמפרטורה היא 4.5/R²°C/min, כאשר R הוא הרדיוס של מוצר זכוכית הקוורץ.
2. שלב טמפרטורה קבועה כאשר מוט הקוורץ מגיע לטמפרטורת החישול הגבוהה ביותר בפועל, גוף התנור נשמר בטמפרטורה קבועה כדי להבטיח חימום אחיד של המוצר, מכין אותו לשלב הקירור הבא.
3. שלב הקירור כדי לחסל או לייצר מעט מאוד מתח קבוע במהלך תהליך הקירור של מוט הקוורץ, יש להפחית את הטמפרטורה באיטיות כדי למנוע שיפוע טמפרטורה גדול. קצבי הקירור הם כדלקמן:
   • 1100°C עד 950°C: 15°C/שעה
   • 950°C עד 750°C: 30°C/שעה
   • 750°C עד 450°C: 60°C/שעה
4. שלב קירור טבעי מתחת ל-450 מעלות צלזיוס, הכוח לכבשן החישול כבוי, והסביבה נשמרת מבלי לשנות את סביבת הבידוד עד שהיא מתקררת באופן טבעי מתחת ל-100 מעלות צלזיוס. מתחת ל-100 מעלות צלזיוס, סביבת הבידוד נפתחת, והיא מתקררת לטמפרטורת החדר.

הזמן והטמפרטורה המעורבים בשלבים שלעיל מבוססים על תוצאות תיאורטיות ותרגול ייצור. איור 1 מציג מוצרים ניסיוניים שנכשלו עקב חימום לא אחיד שנגרם מחימום קצר מדי או זמן טמפרטורה קבוע.

בתהליך ייצור ועיבוד זכוכית קוורץ קיים לחץ במוצרים בכל שלב, בין אם זמני ובין אם קבוע. ניתן להשתמש בשיטות כגון "להבה", "חומצת HF" ו"תנור חישול" כדי להסיר מתח זמני או להפחית מתח קבוע. הסרת מתח חיונית לשיפור היציבות המכנית והאחידות האופטית של מוצרי קוורץ.

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 אתר אינטרנט או צור איתנו קשר בדוא"ל בכתובת contact@globalquartztube.com.