क्वार्ट्ज ग्लास के प्रसंस्करण और एनीलिंग तकनीकों पर अनुसंधान

क्वार्ट्ज ग्लास की प्रोसेसिंग और एनीलिंग तकनीकों पर यह शोध फाइबर ऑप्टिक उत्पादन और संबंधित परियोजनाओं पर केंद्रित है। इसका उद्देश्य अभ्यास के माध्यम से उच्च और सामान्य तापमान पर क्वार्ट्ज उत्पादों की स्थिरता में सुधार करना है, जिससे विभिन्न परिदृश्यों में उत्पादों का सुचारू अनुप्रयोग सुनिश्चित हो सके।

क्वार्ट्ज ग्लास को प्रसंस्करण विधियों, उपयोगों और उपस्थिति के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है, जैसे कि फ्यूज्ड पारदर्शी क्वार्ट्ज ग्लास, फ्यूज्ड क्वार्ट्ज ग्लास, गैस-रिफाइंड पारदर्शी क्वार्ट्ज ग्लास, सिंथेटिक क्वार्ट्ज ग्लास, अपारदर्शी क्वार्ट्ज ग्लास, ऑप्टिकल क्वार्ट्ज ग्लास, सेमीकंडक्टर के लिए क्वार्ट्ज ग्लास और इलेक्ट्रिक लाइट स्रोतों के लिए क्वार्ट्ज ग्लास। इन्हें दो मुख्य श्रेणियों में विभाजित किया गया है: पारदर्शी और अपारदर्शी। शुद्धता के आधार पर, इसे तीन श्रेणियों में विभाजित किया जाता है: उच्च शुद्धता, साधारण और डोप्ड।

उच्च तापमान प्रतिरोधी क्वार्ट्ज ग्लास का विविट्रिफिकेशन एक अंतर्निहित दोष है। क्वार्ट्ज ग्लास में क्रिस्टलीय क्वार्ट्ज की तुलना में अधिक आंतरिक ऊर्जा होती है, जो इसे थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर मेटास्टेबल अवस्था बनाती है। SiO2 अणु कंपन को तेज करते हैं और दीर्घकालिक पुनर्व्यवस्था और अभिविन्यास के बाद क्रिस्टल बनाते हैं। क्रिस्टलीकरण मुख्य रूप से सतह पर होता है, उसके बाद आंतरिक दोष होते हैं, क्योंकि ये क्षेत्र संदूषण के लिए प्रवण होते हैं, जिससे अशुद्धता आयनों का स्थानीय संचय होता है। विशेष रूप से, क्षार आयन (जैसे K, Na, Li, Ca, Mg) नेटवर्क में प्रवेश करते समय चिपचिपाहट को कम करते हैं, जिससे विविट्रिफिकेशन में तेजी आती है।

यह पत्र संसाधित क्वार्ट्ज घटकों पर चर्चा करता है, जिसमें केवल पारदर्शी सिंथेटिक कैपेसिटर क्वार्ट्ज ग्लास को शामिल किया गया है।

क्वार्ट्ज ग्लास को संसाधित करते समय, आमतौर पर हाइड्रोजन-ऑक्सीजन लौ का उपयोग किया जाता है, जिसका प्रसंस्करण तापमान लगभग 1500-1600°C होता है।

कांच ऊष्मा का कुचालक है। जब क्वार्ट्ज ग्लास (बिना दबाव के) के एक टुकड़े को गर्म या ठंडा किया जाता है, तो क्वार्ट्ज ग्लास की बाहरी परत सीधे गर्म होती है या पहले ठंडी होने लगती है, और आंतरिक ग्लास गर्म होता है (ऊष्मा चालन बाहरी गर्मी को अंदर स्थानांतरित करता है) या बाद में ठंडा होता है। यह क्वार्ट्ज ग्लास की सतह और आंतरिक भाग के बीच तापमान का अंतर पैदा करता है। गर्म होने पर, सीधे गर्म किए गए क्वार्ट्ज ग्लास की सतह का तापमान अधिक होता है, और गर्मी प्राप्त करने वाले क्वार्ट्ज ग्लास का आंतरिक तापमान कम होता है, जिससे गर्म किए गए क्वार्ट्ज ग्लास की बाहरी परत का विस्तार होता है। कम तापमान वाला आंतरिक भाग अपनी मूल स्थिति को बनाए रखने की कोशिश करता है, जिससे बाहरी परत का विस्तार बाधित होता है। इस प्रकार, क्वार्ट्ज ग्लास के भीतर विस्तार और विरोधी विस्तार होता है, जिससे परस्पर क्रिया के कारण दो प्रकार के तनाव पैदा होते हैं: संपीड़न तनाव और तन्य तनाव। क्वार्ट्ज ग्लास की बाहरी परत को अंदर की ओर फैलने से रोकने और बाहरी परत पर कार्य करने वाले बल को संपीड़न तनाव कहा जाता है, जबकि क्वार्ट्ज ग्लास की बाहरी परत द्वारा अंदर की ओर फैलने वाले बल को तन्य तनाव के रूप में जाना जाता है।

चूँकि क्वार्ट्ज़ ग्लास की संपीड़न शक्ति इसकी तन्य शक्ति से बहुत अधिक होती है, इसलिए क्वार्ट्ज़ ग्लास की आंतरिक और बाहरी परतें गर्म करने के दौरान महत्वपूर्ण तापमान अंतर का सामना कर सकती हैं। लैंप से प्रसंस्करण करते समय, क्वार्ट्ज़ ग्लास को बिना टूटे हाइड्रोजन-ऑक्सीजन की लौ में सीधे गर्म किया जा सकता है। इसके विपरीत, जब क्वार्ट्ज़ ग्लास को 500 डिग्री सेल्सियस या उससे अधिक गर्म करके ठंडे पानी में रखा जाता है, तो यह आसानी से टूट जाता है।

लैंप प्रसंस्करण द्वारा उत्पन्न तनाव वितरण मोटे तौर पर निम्नानुसार है:

1. घूर्णी विगलन में तनाव ऑपरेटर के हाथ मशाल की लौ में कांच की नली को घुमाते हैं और पिघलाते हैं। चूँकि कांच की नली पिघले हुए हिस्से में नहीं बल्कि घुमाने से गर्म होती है, इसलिए तनाव गोलाकार रेखाओं के रूप में प्रकट होता है।
2. साइड मेल्टिंग में तनाव क्वार्ट्ज ट्यूब के उद्घाटन, साइड कनेक्शन और अनुप्रस्थ आंतरिक कोर वेल्डिंग के लिए, क्वार्ट्ज ट्यूब घूमती नहीं है, जिसके परिणामस्वरूप ऊपर बताए गए तनाव वितरण से अलग तनाव वितरण होता है। इस समय, तनाव पिघले हुए हिस्से के चारों ओर वितरित होता है।
3. रिंग जोड़ों में तनाव रिंग जोड़ आंतरिक कोर की वेल्डिंग को संदर्भित करता है।
4. जैकेट उत्पादों के सीलबंद सिरों में तनाव क्वार्ट्ज़ इंस्ट्रूमेंट जैकेट उत्पाद विभिन्न रूपों में आते हैं लेकिन सभी सीलबंद होते हैं। उदाहरण के लिए, एक मानक सीधी कंडेनसर ट्यूब में, जब दोनों छोर सीलबंद होते हैं, तो तनाव न केवल बाहरी जैकेट पर बल्कि आंतरिक कोर पर भी मौजूद होता है, जिससे महत्वपूर्ण तनाव पैदा होता है।

तनाव की मात्रा तापमान अंतर और क्वार्ट्ज ग्लास की मोटाई के साथ बदलती रहती है। तापमान अंतर जितना बड़ा होगा और ग्लास जितना मोटा होगा, तनाव उतना ही अधिक होगा। इसलिए, तनाव हटाना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

क्वार्ट्ज ग्लास उत्पादों में थर्मल तनाव को अस्थायी तनाव और स्थायी तनाव में विभाजित किया जा सकता है।

अस्थायी तनाव तब होता है जब कांच का तापमान परिवर्तन तनाव बिंदु तापमान से नीचे होता है, जिसके परिणामस्वरूप खराब तापीय चालकता के कारण असमान कुल गर्मी होती है, जिससे कुछ थर्मल तनाव पैदा होता है। यह थर्मल तनाव तापमान अंतर के कारण मौजूद होता है और इसे अस्थायी तनाव के रूप में जाना जाता है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि चूंकि क्वार्ट्ज कोर रॉड में आमतौर पर अलग-अलग रासायनिक पदार्थ होते हैं, इसलिए वे असमान हीटिंग के लिए प्रवण होते हैं। इसलिए, स्प्लिसिंग के बाद, रॉड बॉडी को समान रूप से गर्म करने के लिए लौ का उपयोग किया जाना चाहिए, जिससे समग्र तापमान ढाल जितना संभव हो सके उतना चिकना हो, क्वार्ट्ज कोर रॉड के अस्थायी तनाव को काफी कम कर दिया जा सके।

जब कांच तनाव बिंदु तापमान से ऊपर ठंडा होता है, तो तापमान अंतर से उत्पन्न थर्मल तनाव कमरे के तापमान तक ठंडा होने के बाद पूरी तरह से गायब नहीं होता है, जिससे कांच में कुछ तनाव रह जाता है। स्थायी तनाव की मात्रा तनाव बिंदु तापमान से ऊपर ठंडा होने की दर, क्वार्ट्ज ग्लास की चिपचिपाहट, थर्मल विस्तार के गुणांक और उत्पाद की मोटाई पर निर्भर करती है।

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, क्वार्ट्ज रॉड के प्रसंस्करण के बाद उत्पन्न स्थायी तनाव बाद के प्रसंस्करण और उत्पादन को प्रभावित करता है। इसलिए, स्थायी तनाव को केवल एनीलिंग के माध्यम से समाप्त किया जा सकता है।

आम तौर पर, प्रसंस्करण के बाद कांच के उत्पादों को एनील किया जाता है। एनीलिंग विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न थर्मल तनाव को खत्म करने के लिए संक्रमण तापमान और तनाव बिंदु तापमान के बीच एक गर्मी उपचार प्रक्रिया को संदर्भित करता है। आम तौर पर, कांच का विस्तार गुणांक जितना बड़ा होता है, व्यास उतना ही बड़ा होता है और उत्पाद की स्थिति जितनी जटिल होती है, तनाव उतना ही गंभीर होता है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, संपर्क किए गए क्वार्ट्ज रॉड का व्यास बड़ा होता है और इसमें मिश्रित कोर रॉड होते हैं, इसलिए तनाव को दूर करने के लिए सख्त गर्मी उपचार की आवश्यकता होती है।

वास्तविक उत्पादन में, क्वार्ट्ज रॉड के एनीलिंग के दौरान रॉड बॉडी के भीतर तनाव को पूरी तरह से खत्म करना असंभव है। हालांकि, अवशिष्ट मात्रा इतनी छोटी होती है कि पोलरिस्कोप के तहत भी इसका पता लगाना आसान नहीं होता है।

सैद्धांतिक रूप से, उच्चतम एनीलिंग तापमान का मतलब है कि 3 मिनट के बाद 95% तनाव को समाप्त किया जा सकता है; सबसे कम एनीलिंग तापमान के परिणामस्वरूप 3 मिनट के बाद 5% तनाव मुक्त होता है। उत्पादन अभ्यास में, आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला तापमान उच्चतम एनीलिंग तापमान से 50 डिग्री सेल्सियस कम और सबसे कम एनीलिंग तापमान से 100 डिग्री सेल्सियस अधिक होता है। एनीलिंग करने के कई तरीके हैं, लेकिन मुख्य तरीका भट्टी में एनीलिंग करना है, जो इस चर्चा का केंद्र है।

ऊपर वर्णित एनीलिंग सिद्धांत के अनुसार, क्वार्ट्ज ग्लास के एनीलिंग को चार चरणों में विभाजित किया जाता है: हीटिंग चरण, निरंतर तापमान चरण, शीतलन चरण और प्राकृतिक शीतलन चरण।

1. हीटिंग स्टेज क्वार्ट्ज ग्लास के लिए, यह कार्य ऑप्टिकल उत्पादों की एनीलिंग आवश्यकताओं पर आधारित है। पूरी हीटिंग प्रक्रिया में 1100 डिग्री सेल्सियस तक धीमी गति से हीटिंग शामिल है। अनुभव के अनुसार, तापमान वृद्धि 4.5 / R² ° C / मिनट है, जहाँ R क्वार्ट्ज ग्लास उत्पाद की त्रिज्या है।
2. स्थिर तापमान चरण जब क्वार्ट्ज रॉड वास्तविक उच्चतम तापानुशीतन तापमान पर पहुंच जाती है, तो भट्ठी के ढांचे को स्थिर तापमान पर रखा जाता है, ताकि उत्पाद का एकसमान तापन सुनिश्चित हो सके, तथा इसे अगले शीतलन चरण के लिए तैयार किया जा सके।
3. शीतलन चरण क्वार्ट्ज़ रॉड की शीतलन प्रक्रिया के दौरान बहुत कम स्थायी तनाव को खत्म करने या उत्पन्न करने के लिए, बड़े तापमान प्रवणता को रोकने के लिए तापमान को धीरे-धीरे कम किया जाना चाहिए। शीतलन दरें इस प्रकार हैं:
   • 1100°C से 950°C: 15°C/घंटा
   • 950°C से 750°C: 30°C/घंटा
   • 750°C से 450°C: 60°C/घंटा
4. प्राकृतिक शीतलन चरण 450 डिग्री सेल्सियस से नीचे, एनीलिंग फर्नेस की शक्ति बंद कर दी जाती है, और इन्सुलेशन वातावरण को बदले बिना तब तक बनाए रखा जाता है जब तक कि यह स्वाभाविक रूप से 100 डिग्री सेल्सियस से नीचे ठंडा न हो जाए। 100 डिग्री सेल्सियस से नीचे, इन्सुलेशन वातावरण खोला जाता है, और यह कमरे के तापमान तक ठंडा हो जाता है।

उपरोक्त चरणों में शामिल समय और तापमान सैद्धांतिक और उत्पादन अभ्यास परिणामों पर आधारित हैं। चित्र 1 बहुत कम हीटिंग या निरंतर तापमान समय के कारण असमान हीटिंग के कारण विफल प्रयोगात्मक उत्पादों को दर्शाता है।

क्वार्ट्ज ग्लास के उत्पादन और प्रसंस्करण की प्रक्रिया में, उत्पादों में किसी भी स्तर पर तनाव मौजूद होता है, चाहे वह अस्थायी हो या स्थायी। अस्थायी तनाव को दूर करने या स्थायी तनाव को कम करने के लिए "फ्लेम", "एचएफ एसिड" और "एनीलिंग फर्नेस" जैसी विधियों का उपयोग किया जा सकता है। क्वार्ट्ज उत्पादों की यांत्रिक स्थिरता और ऑप्टिकल एकरूपता में सुधार के लिए तनाव को दूर करना महत्वपूर्ण है।

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