Penelitian Teknik Pengolahan dan Annealing Kaca Kuarsa

Penelitian tentang teknik pemrosesan dan anil kaca kuarsa ini ditujukan untuk produksi serat optik dan proyek terkait. Hal ini berupaya untuk meningkatkan stabilitas produk kuarsa pada suhu tinggi dan normal melalui praktik, memastikan kelancaran penerapan produk dalam berbagai skenario.

Kaca kuarsa diklasifikasikan berdasarkan metode pemrosesan, kegunaan, dan penampilan, seperti kaca kuarsa transparan leburan, kaca kuarsa leburan, kaca kuarsa transparan yang dimurnikan dengan gas, kaca kuarsa sintetis, kaca kuarsa buram, kaca kuarsa optik, kaca kuarsa untuk semikonduktor, dan kuarsa kaca untuk sumber cahaya listrik. Ini dibagi menjadi dua kategori utama: transparan dan buram. Berdasarkan kemurniannya, dibagi menjadi tiga kategori: kemurnian tinggi, biasa, dan doped.

Devitrifikasi kaca kuarsa tahan suhu tinggi merupakan cacat bawaan. Kaca kuarsa memiliki energi internal yang lebih tinggi daripada kristal kuarsa, menjadikannya keadaan metastabil yang tidak stabil secara termodinamika. Molekul SiO2 mempercepat getaran dan membentuk kristal setelah penataan ulang dan orientasi jangka panjang. Kristalisasi terutama terjadi di permukaan, diikuti oleh cacat internal, karena area ini rentan terhadap kontaminasi, yang menyebabkan akumulasi ion pengotor secara lokal. Khususnya, ion alkali (seperti K, Na, Li, Ca, Mg) mengurangi viskositas ketika memasuki jaringan, sehingga mempercepat devitrifikasi.

Tulisan ini membahas tentang komponen kuarsa yang telah diproses, hanya meliputi kaca kuarsa kapasitor sintetik transparan.

Saat memproses kaca kuarsa, api hidrogen-oksigen biasanya digunakan, dengan suhu pemrosesan sekitar 1500-1600°C.

Kaca merupakan konduktor panas yang buruk. Ketika sepotong kaca kuarsa (tanpa tekanan) dipanaskan atau didinginkan, lapisan luar kaca kuarsa langsung dipanaskan atau mulai mendingin terlebih dahulu, dan kaca bagian dalam dipanaskan (konduksi panas memindahkan panas eksternal ke dalam) atau didinginkan setelahnya. . Hal ini menciptakan perbedaan suhu antara permukaan dan bagian dalam kaca kuarsa. Saat dipanaskan, suhu permukaan kaca kuarsa yang dipanaskan secara langsung tinggi, dan suhu internal kaca kuarsa yang menerima panas rendah, menyebabkan lapisan luar kaca kuarsa yang dipanaskan mengembang. Bagian dalam bersuhu lebih rendah mencoba mempertahankan keadaan aslinya, menghalangi perluasan lapisan luar. Dengan demikian, ekspansi dan anti-ekspansi terjadi di dalam kaca kuarsa, menciptakan dua jenis tegangan akibat interaksi: tegangan tekan dan tegangan tarik. Gaya yang mencegah lapisan luar kaca kuarsa mengembang ke dalam dan bekerja pada lapisan luar disebut tegangan tekan, sedangkan gaya yang dilakukan oleh lapisan luar kaca kuarsa yang mengembang ke dalam disebut tegangan tarik.

Karena kekuatan tekan kaca kuarsa jauh lebih besar daripada kekuatan tariknya, lapisan dalam dan luar kaca kuarsa dapat menahan perbedaan suhu yang signifikan selama pemanasan. Saat diproses dengan lampu, kaca kuarsa dapat langsung dipanaskan dalam nyala hidrogen-oksigen tanpa pecah. Sebaliknya, jika kaca kuarsa yang dipanaskan hingga 500°C atau lebih tinggi dimasukkan ke dalam air pendingin, kaca tersebut akan mudah retak.

Distribusi tegangan yang dihasilkan oleh pemrosesan lampu kira-kira sebagai berikut:

1. Stres dalam Pencairan Rotasi Tangan operator memutar dan melelehkan tabung kaca dalam nyala api obor. Karena tabung kaca dipanaskan melalui rotasi dan bukan melalui bagian cairnya, tegangan diwujudkan dalam bentuk garis melingkar.
2. Stres pada Pencairan Samping Untuk bukaan, sambungan samping, dan pengelasan inti melintang tabung kuarsa, tabung kuarsa tidak berputar, sehingga menghasilkan distribusi tegangan yang berbeda dari yang disebutkan di atas. Pada saat ini, tegangan didistribusikan ke seluruh bagian cair.
3. Stres pada Sendi Cincin Sambungan cincin mengacu pada pengelasan inti bagian dalam.
4. Stres pada Ujung Produk Jaket yang Tersegel Produk jaket instrumen kuarsa tersedia dalam berbagai bentuk tetapi semuanya tersegel. Misalnya, dalam tabung kondensor lurus standar, ketika kedua ujungnya disegel, tegangan timbul tidak hanya pada jaket luar tetapi juga pada inti dalam, sehingga menyebabkan tegangan yang signifikan.

Besarnya tegangan bervariasi dengan perbedaan suhu dan ketebalan kaca kuarsa. Semakin besar perbedaan suhu dan semakin tebal kaca, semakin besar tegangannya. Oleh karena itu, menghilangkan stres sangatlah penting.

Tegangan termal pada produk kaca kuarsa dapat dibagi menjadi tegangan sementara dan tegangan permanen.

Tegangan sementara terjadi ketika perubahan suhu kaca berada di bawah suhu titik regangan, sehingga mengakibatkan panas total yang tidak merata karena konduktivitas termal yang buruk, sehingga menimbulkan tegangan termal tertentu. Tekanan termal ini terjadi karena perbedaan suhu dan dikenal sebagai tegangan sementara.

Perlu dicatat bahwa karena batang inti kuarsa yang biasanya diproses mengandung zat kimia yang berbeda, maka batang tersebut rentan terhadap pemanasan yang tidak merata. Oleh karena itu, setelah penyambungan, nyala api harus digunakan untuk memanaskan badan batang secara merata, membuat gradien suhu keseluruhan sehalus mungkin, sehingga secara signifikan mengurangi tekanan sementara pada batang inti kuarsa.

Ketika kaca mendingin di atas suhu titik regangan, tekanan termal yang dihasilkan oleh perbedaan suhu tidak sepenuhnya hilang setelah pendinginan hingga suhu kamar, meninggalkan sejumlah tekanan pada kaca. Besarnya tegangan permanen tergantung pada laju pendinginan di atas suhu titik regangan, viskositas kaca kuarsa, koefisien muai panas, dan ketebalan produk.

Seperti disebutkan di atas, tegangan permanen yang dihasilkan setelah pemrosesan batang kuarsa mempengaruhi pemrosesan dan produksi selanjutnya. Oleh karena itu, stres permanen hanya dapat dihilangkan melalui anil.

Umumnya, produk kaca dianil setelah diproses. Annealing mengacu pada proses perlakuan panas antara suhu transisi dan suhu titik regangan untuk menghilangkan tekanan termal yang dihasilkan selama proses pembuatan. Biasanya, semakin besar koefisien muai kaca, semakin besar diameternya dan semakin kompleks keadaan produknya, semakin besar tegangannya. Seperti disebutkan sebelumnya, batang kuarsa yang dihubungi memiliki diameter besar dan mengandung batang inti campuran, sehingga diperlukan perlakuan panas yang ketat untuk menghilangkan tegangan.

Dalam produksi sebenarnya, tidak mungkin untuk sepenuhnya menghilangkan tekanan di dalam badan batang selama anil batang kuarsa. Namun, jumlah residunya sangat kecil sehingga tidak mudah dideteksi bahkan di bawah polariskop.

Secara teoritis, suhu anil tertinggi berarti tegangan 95% dapat dihilangkan setelah 3 menit; suhu annealing terendah menghasilkan pelepasan tegangan 5% setelah 3 menit. Dalam praktek produksi, suhu yang umum digunakan adalah 50°C lebih rendah dari suhu anil tertinggi dan 100°C lebih tinggi dari suhu anil terendah. Ada banyak cara untuk melakukan anil, namun cara utamanya adalah anil dalam tungku yang menjadi fokus pembahasan kali ini.

Menurut prinsip anil yang disebutkan di atas, anil kaca kuarsa dibagi menjadi empat tahap: tahap pemanasan, tahap suhu konstan, tahap pendinginan, dan tahap pendinginan alami.

1. Tahap Pemanasan Untuk kaca kuarsa, pekerjaan ini didasarkan pada persyaratan anil produk optik. Seluruh proses pemanasan melibatkan pemanasan lambat hingga 1100°C. Berdasarkan pengalaman, kenaikan suhu adalah 4,5/R²°C/menit, dengan R adalah jari-jari produk kaca kuarsa.
2. Tahap Suhu Konstan Ketika batang kuarsa mencapai suhu anil tertinggi yang sebenarnya, badan tungku dijaga pada suhu konstan untuk memastikan pemanasan produk yang seragam, mempersiapkannya untuk langkah pendinginan berikutnya.
3. Tahap Pendinginan Untuk menghilangkan atau menghasilkan tegangan permanen yang sangat kecil selama proses pendinginan batang kuarsa, suhu harus diturunkan secara perlahan untuk mencegah gradien suhu yang besar. Kecepatan pendinginannya adalah sebagai berikut:
   • 1100°C hingga 950°C: 15°C/jam
   • 950°C hingga 750°C: 30°C/jam
   • 750°C hingga 450°C: 60°C/jam
4. Tahap Pendinginan Alami Di bawah 450°C, daya ke tungku anil dimatikan, dan lingkungan dipertahankan tanpa mengubah lingkungan insulasi hingga mendingin secara alami hingga di bawah 100°C. Di bawah 100°C, lingkungan isolasi terbuka, dan mendingin hingga mencapai suhu kamar.

Waktu dan suhu yang terlibat dalam langkah-langkah di atas didasarkan pada hasil teoritis dan praktik produksi. Gambar 1 menunjukkan produk percobaan yang gagal karena pemanasan yang tidak merata yang disebabkan oleh pemanasan yang terlalu singkat atau waktu suhu yang konstan.

Dalam proses produksi dan pemrosesan kaca kuarsa, tekanan terjadi pada produk pada setiap tahap, baik sementara maupun permanen. Metode seperti “api”, “asam HF”, dan “tungku anil” dapat digunakan untuk menghilangkan stres sementara atau mengurangi stres permanen. Menghilangkan stres sangat penting untuk meningkatkan stabilitas mekanik dan keseragaman optik produk kuarsa.

Di GlobalQT (Global Quartz Tube), kami mengkhususkan diri dalam kualitas tinggi produk kaca kuarsa dengan solusi yang dapat disesuaikan untuk memenuhi kebutuhan spesifik Anda. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi halaman situs web atau hubungi kami melalui email di hubungi@globalquartztube.com.