Ricerca sulle tecniche di lavorazione e ricottura del vetro di quarzo

Questa ricerca sulle tecniche di lavorazione e ricottura del vetro al quarzo è finalizzata alla produzione di fibre ottiche e progetti correlati. Cerca di migliorare la stabilità dei prodotti al quarzo a temperature elevate e normali attraverso la pratica, garantendo un'applicazione regolare dei prodotti in vari scenari.

Il vetro al quarzo è classificato in base a metodi di lavorazione, usi e aspetto, come vetro al quarzo trasparente fuso, vetro al quarzo fuso, vetro al quarzo trasparente raffinato a gas, vetro al quarzo sintetico, vetro al quarzo opaco, vetro al quarzo ottico, vetro al quarzo per semiconduttori e quarzo vetro per sorgenti luminose elettriche. Questi si dividono in due categorie principali: trasparenti ed opachi. In base alla purezza, è diviso in tre categorie: elevata purezza, ordinario e drogato.

La devetrificazione del vetro al quarzo resistente alle alte temperature è un difetto intrinseco. Il vetro al quarzo ha un'energia interna maggiore rispetto al quarzo cristallino, rendendolo uno stato metastabile termodinamicamente instabile. Le molecole di SiO2 accelerano le vibrazioni e formano cristalli dopo un riarrangiamento e un orientamento a lungo termine. La cristallizzazione avviene principalmente in superficie, seguita da difetti interni, poiché queste aree sono soggette a contaminazione, portando all'accumulo localizzato di ioni impurità. In particolare, gli ioni alcalini (come K, Na, Li, Ca, Mg) riducono la viscosità quando entrano nella rete, accelerando la devetrificazione.

Questo articolo tratta i componenti di quarzo lavorati, coprendo solo il vetro al quarzo sintetico trasparente del condensatore.

Nella lavorazione del vetro al quarzo viene tipicamente utilizzata una fiamma idrogeno-ossigeno, con una temperatura di lavorazione di circa 1500-1600°C.

Il vetro è un cattivo conduttore di calore. Quando un pezzo di vetro al quarzo (senza pressione) viene riscaldato o raffreddato, lo strato esterno del vetro al quarzo viene riscaldato direttamente o inizia a raffreddarsi prima, e il vetro interno viene riscaldato (la conduzione del calore trasferisce il calore esterno all'interno) o successivamente raffreddato . Ciò crea una differenza di temperatura tra la superficie e l'interno del vetro al quarzo. Quando riscaldato, la temperatura superficiale del vetro al quarzo riscaldato direttamente è elevata e la temperatura interna del vetro al quarzo che riceve calore è bassa, provocando l'espansione dello strato esterno del vetro al quarzo riscaldato. L'interno a temperatura più bassa cerca di mantenere il suo stato originale, ostacolando l'espansione dello strato esterno. Pertanto, all'interno del vetro di quarzo si verificano espansione e anti-espansione, creando due tipi di stress dovuti all'interazione: stress di compressione e stress di trazione. La forza che cerca di impedire allo strato esterno di vetro al quarzo di espandersi verso l'interno e di agire sullo strato esterno è chiamata stress di compressione, mentre la forza esercitata dallo strato esterno di vetro di quarzo che si espande verso l'interno è nota come stress di trazione.

Poiché la resistenza alla compressione del vetro al quarzo è molto maggiore della sua resistenza alla trazione, gli strati interno ed esterno del vetro al quarzo possono sopportare notevoli differenze di temperatura durante il riscaldamento. Durante la lavorazione con una lampada, il vetro al quarzo può essere riscaldato direttamente in una fiamma di idrogeno-ossigeno senza rompersi. Al contrario, quando il vetro al quarzo riscaldato a 500°C o più viene posto in acqua di raffreddamento, si rompe facilmente.

La distribuzione delle sollecitazioni generata dalla lavorazione con lampada è grosso modo la seguente:

1. Stress nella fusione rotazionale Le mani dell'operatore ruotano e fondono il tubo di vetro nella fiamma della torcia. Poiché il tubo di vetro viene riscaldato mediante rotazione anziché nella parte fusa, lo stress si manifesta come linee circolari.
2. Stress nella fusione laterale Per le aperture, i collegamenti laterali e la saldatura trasversale del nucleo interno dei tubi al quarzo, il tubo al quarzo non ruota, determinando una distribuzione delle sollecitazioni diversa da quella menzionata sopra. In questo momento, lo stress è distribuito attorno alla parte fusa.
3. Sollecitazione nelle giunzioni degli anelli I giunti ad anello si riferiscono alla saldatura del nucleo interno.
4. Stress nelle estremità sigillate dei prodotti con rivestimento I prodotti con rivestimento per strumenti al quarzo sono disponibili in varie forme ma sono tutti sigillati. Ad esempio, in un tubo di condensatore diritto standard, quando entrambe le estremità sono sigillate, lo stress è presente non solo sul rivestimento esterno ma anche sul nucleo interno, determinando uno stress significativo.

L'entità dello stress varia con la differenza di temperatura e lo spessore del vetro al quarzo. Maggiore è la differenza di temperatura e più spesso è il vetro, maggiore è lo stress. Pertanto, la rimozione dello stress è particolarmente importante.

Lo stress termico nei prodotti in vetro al quarzo può essere suddiviso in stress temporaneo e stress permanente.

Lo stress temporaneo si verifica quando il cambiamento di temperatura del vetro è inferiore alla temperatura del punto di deformazione, determinando un calore totale non uniforme a causa della scarsa conduttività termica, creando un certo stress termico. Questo stress termico esiste a causa della differenza di temperatura ed è noto come stress temporaneo.

Va notato che poiché le aste con nucleo di quarzo solitamente lavorate contengono diverse sostanze chimiche, sono soggette a un riscaldamento non uniforme. Pertanto, dopo la giunzione, la fiamma dovrebbe essere utilizzata per riscaldare uniformemente il corpo dell'asta, rendendo il gradiente di temperatura complessivo il più uniforme possibile e riducendo significativamente lo stress temporaneo dell'asta con nucleo in quarzo.

Quando il vetro si raffredda al di sopra della temperatura del punto di deformazione, lo stress termico generato dalla differenza di temperatura non scompare completamente dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, lasciando un po' di stress nel vetro. L'entità dello stress permanente dipende dalla velocità di raffreddamento al di sopra della temperatura del punto di deformazione, dalla viscosità del vetro al quarzo, dal coefficiente di dilatazione termica e dallo spessore del prodotto.

Come accennato in precedenza, lo stress permanente generato dopo la lavorazione della bacchetta di quarzo influisce sulla successiva lavorazione e produzione. Pertanto, lo stress permanente può essere eliminato solo attraverso la ricottura.

Generalmente, i prodotti in vetro vengono ricotti dopo la lavorazione. La ricottura si riferisce a un processo di trattamento termico tra la temperatura di transizione e la temperatura del punto di deformazione per eliminare lo stress termico generato durante il processo di produzione. Tipicamente, maggiore è il coefficiente di dilatazione del vetro, maggiore è il diametro e più complesso è lo stato del prodotto, più grave è la sollecitazione. Come accennato in precedenza, l'asta di quarzo contattata ha un diametro grande e contiene aste con nucleo misto, quindi è necessario un trattamento termico rigoroso per eliminare lo stress.

Nella produzione attuale, è impossibile eliminare completamente lo stress all'interno del corpo della barra durante la ricottura della barra di quarzo. Tuttavia, la quantità residua è così piccola che non è facilmente rilevabile nemmeno con un polariscopio.

Teoricamente, la temperatura di ricottura più alta significa che 95% dello stress può essere eliminato dopo 3 minuti; la temperatura di ricottura più bassa determina un rilascio di stress 5% dopo 3 minuti. Nella pratica di produzione, la temperatura comunemente utilizzata è 50°C inferiore alla temperatura di ricottura più alta e 100°C superiore alla temperatura di ricottura più bassa. Esistono molti modi per ricottura, ma il metodo principale è la ricottura in forno, che è il fulcro di questa discussione.

Secondo il principio di ricottura sopra menzionato, la ricottura del vetro al quarzo è divisa in quattro fasi: fase di riscaldamento, fase a temperatura costante, fase di raffreddamento e fase di raffreddamento naturale.

1. Fase di riscaldamento Per il vetro al quarzo, questo lavoro si basa sui requisiti di ricottura dei prodotti ottici. L'intero processo di riscaldamento prevede un riscaldamento lento fino a 1100°C. Secondo l'esperienza, l'aumento di temperatura è di 4,5/R²°C/min, dove R è il raggio del prodotto in vetro di quarzo.
2. Fase a temperatura costante Quando la bacchetta di quarzo raggiunge la temperatura di ricottura effettiva, il corpo del forno viene mantenuto a temperatura costante per garantire un riscaldamento uniforme del prodotto, preparandolo per la successiva fase di raffreddamento.
3. Fase di raffreddamento Per eliminare o produrre uno stress permanente minimo durante il processo di raffreddamento dell'asta di quarzo, la temperatura dovrebbe essere ridotta lentamente per evitare un ampio gradiente di temperatura. Le velocità di raffreddamento sono le seguenti:
   • Da 1100°C a 950°C: 15°C/ora
   • Da 950°C a 750°C: 30°C/ora
   • Da 750°C a 450°C: 60°C/ora
4. Fase di raffreddamento naturale Al di sotto di 450°C, l'alimentazione al forno di ricottura viene disattivata e l'ambiente viene mantenuto senza modificare l'isolamento fino a quando non si raffredda naturalmente al di sotto di 100°C. Al di sotto dei 100°C, l'ambiente isolante viene aperto e si raffredda a temperatura ambiente.

Il tempo e la temperatura coinvolti nelle fasi precedenti si basano su risultati teorici e pratici di produzione. La Figura 1 mostra i prodotti sperimentali falliti a causa del riscaldamento irregolare causato da un riscaldamento troppo breve o da un tempo di temperatura costante.

Nel processo di produzione e lavorazione del vetro al quarzo, nei prodotti esiste stress in qualsiasi fase, sia temporaneo che permanente. Metodi come “fiamma”, “acido HF” e “forno di ricottura” possono essere utilizzati per rimuovere lo stress temporaneo o ridurre lo stress permanente. La rimozione dello stress è fondamentale per migliorare la stabilità meccanica e l'uniformità ottica dei prodotti al quarzo.

GlobalQT (Global Quartz Tube) è specializzata in tubi di quarzo di alta qualità. prodotti in vetro quarzo con soluzioni personalizzabili per soddisfare le vostre esigenze specifiche. Per ulteriori informazioni, visitate il nostro sito sito web oppure contattaci tramite email a contact@globalquartztube.com.