Istraživanje tehnika obrade i žarenja kvarcnog stakla

Ovo istraživanje o tehnikama obrade i žarenja kvarcnog stakla usmjereno je na proizvodnju optičkih vlakana i srodne projekte. Praksom nastoji poboljšati stabilnost kvarcnih proizvoda na visokim i normalnim temperaturama, osiguravajući glatku primjenu proizvoda u različitim scenarijima.

Kvarcno staklo klasificirano je prema metodama obrade, upotrebi i izgledu, kao što je topljeno prozirno kvarcno staklo, topljeno kvarcno staklo, plinom rafinirano prozirno kvarcno staklo, sintetičko kvarcno staklo, neprozirno kvarcno staklo, optičko kvarcno staklo, kvarcno staklo za poluvodiče i kvarc staklo za električne izvore svjetlosti. Podijeljeni su u dvije glavne kategorije: prozirne i neprozirne. Na temelju čistoće podijeljen je u tri kategorije: visoke čistoće, obični i dopirani.

Devitrifikacija kvarcnog stakla otpornog na visoke temperature je inherentni nedostatak. Kvarcno staklo ima veću unutarnju energiju od kristalnog kvarca, što ga čini termodinamički nestabilnim metastabilnim stanjem. Molekule SiO2 ubrzavaju vibracije i formiraju kristale nakon dugotrajnog preuređivanja i orijentacije. Kristalizacija se uglavnom događa na površini, praćena unutarnjim defektima, budući da su ta područja sklona kontaminaciji, što dovodi do lokalnog nakupljanja iona nečistoće. Osobito, alkalni ioni (kao što su K, Na, Li, Ca, Mg) smanjuju viskoznost pri ulasku u mrežu, ubrzavajući devitrifikaciju.

Ovaj rad govori o obrađenim kvarcnim komponentama, pokrivajući samo prozirno sintetičko kvarcno staklo kondenzatora.

Pri obradi kvarcnog stakla obično se koristi plamen vodik-kisik, s temperaturom obrade od oko 1500-1600°C.

Staklo je loš vodič topline. Kada se komad kvarcnog stakla (bez pritiska) zagrijava ili hladi, vanjski sloj kvarcnog stakla se izravno zagrijava ili se prvi počinje hladiti, a unutarnje staklo se zagrijava (provođenje topline prenosi vanjsku toplinu u unutrašnjost) ili se nakon toga hladi . To stvara temperaturnu razliku između površine i unutrašnjosti kvarcnog stakla. Kada se zagrijava, površinska temperatura izravno zagrijanog kvarcnog stakla je visoka, a unutarnja temperatura kvarcnog stakla koje prima toplinu je niska, što uzrokuje širenje vanjskog sloja zagrijanog kvarcnog stakla. Unutrašnjost niže temperature pokušava zadržati svoje izvorno stanje, sprječavajući širenje vanjskog sloja. Stoga dolazi do ekspanzije i protuekspanzije unutar kvarcnog stakla, stvarajući dvije vrste naprezanja zbog interakcije: tlačno naprezanje i vlačno naprezanje. Sila koja pokušava spriječiti širenje vanjskog sloja kvarcnog stakla prema unutra i koja djeluje na vanjski sloj naziva se tlačno naprezanje, dok je sila kojom djeluje vanjski sloj kvarcnog stakla šireći se prema unutra poznata kao vlačno naprezanje.

Budući da je tlačna čvrstoća kvarcnog stakla mnogo veća od njegove vlačne čvrstoće, unutarnji i vanjski sloj kvarcnog stakla mogu izdržati značajne temperaturne razlike tijekom zagrijavanja. Pri obradi lampom, kvarcno staklo se može izravno zagrijati u vodikovo-kisikovom plamenu bez lomljenja. Nasuprot tome, kad se kvarcno staklo zagrijano na 500°C ili više stavi u vodu za hlađenje, lako puca.

Raspodjela naprezanja nastala obradom lampe je otprilike sljedeća:

1. Naprezanje u rotacijskom taljenju Ruke operatera rotiraju i tope staklenu cijev u plamenu baklje. Budući da se staklena cijev zagrijava rotacijom, a ne u rastaljenom dijelu, naprezanje se očituje kao kružne linije.
2. Naprezanje u bočnom topljenju Za otvore, bočne spojeve i zavarivanje poprečne unutarnje jezgre kvarcnih cijevi, kvarcna cijev se ne okreće, što rezultira drugačijom raspodjelom naprezanja od gore navedene. U to vrijeme, napon se raspoređuje oko rastaljenog dijela.
3. Naprezanje u prstenastim zglobovima Prstenasti spojevi odnose se na zavarivanje unutarnje jezgre.
4. Naprezanje u zabrtvljenim krajevima jaknih proizvoda Proizvodi od kvarcnih omotača za instrumente dolaze u različitim oblicima, ali su svi zapečaćeni. Na primjer, u standardnoj ravnoj cijevi kondenzatora, kada su oba kraja zabrtvljena, naprezanje je prisutno ne samo na vanjskom omotaču već i na unutarnjoj jezgri, što dovodi do značajnog naprezanja.

Veličina naprezanja varira s temperaturnom razlikom i debljinom kvarcnog stakla. Što je veća temperaturna razlika i što je staklo deblje, to je veći stres. Stoga je uklanjanje stresa posebno važno.

Toplinsko naprezanje u proizvodima od kvarcnog stakla može se podijeliti na privremeno i trajno naprezanje.

Privremeno naprezanje nastaje kada je promjena temperature stakla ispod temperature točke deformacije, što rezultira neravnomjernom ukupnom toplinom zbog loše toplinske vodljivosti, stvarajući određeno toplinsko naprezanje. Ovo toplinsko naprezanje postoji zbog temperaturne razlike i poznato je kao privremeno naprezanje.

Treba napomenuti da budući da obično obrađene šipke s kvarcnom jezgrom sadrže različite kemijske tvari, sklone su neravnomjernom zagrijavanju. Stoga, nakon spajanja, plamen treba koristiti za ravnomjerno zagrijavanje tijela šipke, čineći ukupni gradijent temperature što je moguće glatkijim, značajno smanjujući privremeni stres šipke s kvarcnom jezgrom.

Kada se staklo ohladi iznad temperature točke naprezanja, toplinsko naprezanje generirano temperaturnom razlikom ne nestaje potpuno nakon hlađenja na sobnu temperaturu, ostavljajući nešto naprezanja u staklu. Veličina trajnog naprezanja ovisi o brzini hlađenja iznad temperature točke deformacije, viskoznosti kvarcnog stakla, koeficijentu toplinske ekspanzije i debljini proizvoda.

Kao što je gore spomenuto, trajno naprezanje koje nastaje nakon obrade kvarcne šipke utječe na kasniju obradu i proizvodnju. Stoga se trajno naprezanje može eliminirati samo žarenjem.

Općenito, proizvodi od stakla se žare nakon obrade. Žarenje se odnosi na proces toplinske obrade između temperature prijelaza i temperature točke deformacije kako bi se eliminirao toplinski stres nastao tijekom procesa proizvodnje. Tipično, što je veći koeficijent širenja stakla, što je veći promjer i složenije stanje proizvoda, to je naprezanje veće. Kao što je ranije spomenuto, kvarcna šipka koja je u kontaktu ima veliki promjer i sadrži miješane šipke jezgre, tako da je potrebna stroga toplinska obrada kako bi se uklonio stres.

U stvarnoj proizvodnji nemoguće je u potpunosti eliminirati naprezanje unutar tijela šipke tijekom žarenja kvarcne šipke. Međutim, zaostala količina je toliko mala da se ne može lako otkriti čak ni pod polaroskopom.

Teoretski, najviša temperatura žarenja znači da se 95% stresa može eliminirati nakon 3 minute; najniža temperatura žarenja rezultira oslobađanjem 5% stresa nakon 3 minute. U proizvodnoj praksi, uobičajeno korištena temperatura je 50°C niža od najviše temperature žarenja i 100°C viša od najniže temperature žarenja. Postoji mnogo načina za žarenje, ali glavna metoda je žarenje u peći, što je fokus ove rasprave.

Prema gore spomenutom principu žarenja, žarenje kvarcnog stakla podijeljeno je u četiri faze: faza zagrijavanja, faza konstantne temperature, faza hlađenja i faza prirodnog hlađenja.

1. Faza grijanja Za kvarcno staklo, ovaj se rad temelji na zahtjevima žarenja optičkih proizvoda. Cijeli proces zagrijavanja uključuje polagano zagrijavanje do 1100°C. Prema iskustvu, porast temperature je 4,5/R²°C/min, gdje je R radijus proizvoda od kvarcnog stakla.
2. Stupanj konstantne temperature Kada kvarcna šipka dosegne stvarnu najvišu temperaturu žarenja, tijelo peći se održava na konstantnoj temperaturi kako bi se osiguralo ravnomjerno zagrijavanje proizvoda, pripremajući ga za sljedeći korak hlađenja.
3. Faza hlađenja Kako bi se eliminirao ili proizveo vrlo mali trajni stres tijekom procesa hlađenja kvarcne šipke, temperaturu treba polako smanjivati kako bi se spriječio veliki temperaturni gradijent. Brzine hlađenja su sljedeće:
   • 1100°C do 950°C: 15°C/sat
   • 950°C do 750°C: 30°C/sat
   • 750°C do 450°C: 60°C/sat
4. Prirodni stupanj hlađenja Ispod 450°C, napajanje peći za žarenje se isključuje, a okolina se održava bez promjene okoline izolacije dok se prirodno ne ohladi ispod 100°C. Ispod 100°C izolacijska okolina se otvara i hladi na sobnu temperaturu.

Vrijeme i temperatura uključeni u gore navedene korake temelje se na teoretskim rezultatima i rezultatima proizvodne prakse. Slika 1 prikazuje neuspješne eksperimentalne proizvode zbog neravnomjernog zagrijavanja uzrokovanog prekratkim vremenom zagrijavanja ili konstantne temperature.

U procesu proizvodnje i obrade kvarcnog stakla, stres postoji u proizvodima u bilo kojoj fazi, bilo privremeni ili trajni. Metode kao što su "plamen", "HF kiselina" i "peć za žarenje" mogu se koristiti za uklanjanje privremenog naprezanja ili smanjenje trajnog naprezanja. Uklanjanje naprezanja ključno je za poboljšanje mehaničke stabilnosti i optičke jednolikosti kvarcnih proizvoda.

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 web stranica ili nas kontaktirajte putem e-pošte na contact@globalquartztube.com.