석영유리 가공 및 열처리 기술 연구

석영 유리의 가공 및 어닐링 기술에 관한 본 연구는 광섬유 생산 및 관련 프로젝트를 목표로 합니다. 실습을 통해 고온 및 상온에서 석영 제품의 안정성을 향상시키고 다양한 시나리오에서 제품의 원활한 적용을 보장합니다.

석영유리는 가공방법, 용도, 외관에 따라 용융투명석영유리, 용융석영유리, 가스정제투명석영유리, 합성석영유리, 불투명석영유리, 광학석영유리, 반도체용 석영유리, 석영 등으로 분류된다. 전기 광원용 유리. 이는 투명과 불투명의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 순도에 따라 고순도, 일반, 도핑 세 가지로 분류됩니다.

고온 저항 석영 유리의 실투는 본질적인 결함입니다. 석영 유리는 결정질 석영보다 내부 에너지가 높기 때문에 열역학적으로 불안정한 준안정 상태입니다. SiO2 분자는 진동을 가속화하고 장기간 재배열 및 방향 조정 후에 결정을 형성합니다. 결정화는 주로 표면에서 발생하고 내부 결함이 뒤따릅니다. 이러한 영역은 오염되기 쉽기 때문에 불순물 이온이 국부적으로 축적됩니다. 특히, 알칼리 이온(K, Na, Li, Ca, Mg 등)은 네트워크에 유입될 때 점도를 감소시켜 실투를 가속화합니다.

본 논문에서는 투명한 합성 커패시터 석영 유리만을 다루는 가공된 석영 부품에 대해 논의합니다.

석영 유리를 가공할 때 일반적으로 수소-산소 화염이 사용되며 가공 온도는 약 1500-1600°C입니다.

유리는 열전도율이 좋지 않습니다. 석영 유리 조각(압력 없음)을 가열하거나 냉각하면 석영 유리의 외부 층이 직접 가열되거나 먼저 냉각되기 시작하고 내부 유리가 가열되거나(열 전도가 외부 열을 내부로 전달) 나중에 냉각됩니다. . 이로 인해 석영 유리의 표면과 내부 사이에 온도차가 발생합니다. 가열되면 직접 가열된 석영 유리의 표면 온도가 높고 열을 받는 석영 유리의 내부 온도가 낮아 가열된 석영 유리의 외부 층이 팽창합니다. 온도가 낮은 내부는 원래 상태를 유지하려고 하여 외부층의 팽창을 방해합니다. 따라서 석영 유리 내에서 팽창 및 반팽창이 발생하여 상호 작용으로 인해 압축 응력과 인장 응력이라는 두 가지 유형의 응력이 생성됩니다. 석영 유리의 바깥층이 안쪽으로 팽창하는 것을 방지하고 바깥층에 작용하는 힘을 압축 응력이라고 하며, 석영 유리의 바깥층이 안쪽으로 팽창하는 힘을 인장 응력이라고 합니다.

석영 유리의 압축 강도는 인장 강도보다 훨씬 크기 때문에 석영 유리의 내부 및 외부 층은 가열 중에 상당한 온도 차이를 견딜 수 있습니다. 램프로 가공할 때 석영 유리는 깨지지 않고 수소-산소 불꽃으로 직접 가열될 수 있습니다. 반대로, 500°C 이상으로 가열된 석영 유리를 냉각수에 넣으면 쉽게 깨집니다.

램프 가공으로 발생하는 응력 분포는 대략 다음과 같습니다.

1. 회전 용융 응력 작업자의 손이 회전하면서 토치 불꽃에 있는 유리관을 녹입니다. 유리관은 용융된 부분이 아닌 회전에 의해 가열되기 때문에 응력은 원형 선으로 나타납니다.
2. 측면 용융 응력 석영관의 개구부, 측면 연결 및 횡방향 내부 코어 용접의 경우 석영관이 회전하지 않아 위에서 언급한 응력 분포와 다릅니다. 이때 응력은 용융된 부분 주위로 분산됩니다.
3. 링 조인트의 응력 링 조인트는 내부 코어의 용접을 의미합니다.
4. 재킷 제품의 밀봉된 끝 부분의 응력 석영기구 자켓 제품은 다양한 형태로 제공되지만 모두 밀봉되어 있습니다. 예를 들어, 표준형 직선 콘덴서 튜브의 경우 양쪽 끝을 밀봉하면 외부 재킷뿐만 아니라 내부 코어에도 응력이 존재하여 상당한 응력이 발생합니다.

응력의 크기는 석영 유리의 온도차와 두께에 따라 달라집니다. 온도차가 클수록, 유리가 두꺼울수록 응력도 커집니다. 따라서 스트레스 제거가 특히 중요합니다.

석영 유리 제품의 열 응력은 일시적 응력과 영구 응력으로 나눌 수 있습니다.

유리의 온도 변화가 변형점 온도보다 낮을 때 일시적인 응력이 발생하여 열전도율이 낮아 전체 열이 고르지 않아 특정 열 응력이 발생합니다. 이러한 열응력은 온도차로 인해 발생하며 이를 일시적 응력이라고 합니다.

일반적으로 가공되는 석영 코어 로드에는 다양한 화학 물질이 포함되어 있기 때문에 가열이 고르지 않게 발생하는 경향이 있습니다. 따라서 접합 후 화염을 사용하여 로드 본체를 균일하게 가열하여 전체 온도 구배를 최대한 매끄럽게 만들어 석영 코어 로드의 일시적인 응력을 크게 줄여야 합니다.

유리가 변형점 온도 이상에서 냉각되면 온도차로 인해 발생하는 열응력이 상온으로 냉각된 후에도 완전히 사라지지 않아 유리에 약간의 응력이 남게 됩니다. 영구 응력의 크기는 변형점 온도 이상의 냉각 속도, 석영 유리의 점도, 열팽창 계수 및 제품의 두께에 따라 달라집니다.

위에서 언급한 바와 같이, 석영 막대를 가공한 후 발생하는 영구 응력은 후속 가공 및 생산에 영향을 미칩니다. 따라서 영구 응력은 어닐링을 통해서만 제거될 수 있습니다.

일반적으로 유리 제품은 가공 후 어닐링됩니다. 어닐링(Annealing)이란 제조 과정에서 발생하는 열응력을 제거하기 위해 전이온도와 변형점 온도 사이에서 열처리하는 과정을 말한다. 일반적으로 유리의 팽창계수가 클수록, 직경도 커지고, 제품 상태가 복잡할수록 응력도 더 심해집니다. 앞서 언급한 바와 같이 접촉된 석영 로드는 직경이 크고 혼합된 코어 로드를 포함하므로 응력 제거를 위해 엄격한 열처리가 필요합니다.

실제 생산에서는 석영 막대의 어닐링 중에 막대 본체 내부의 응력을 완전히 제거하는 것이 불가능합니다. 그러나 잔존량이 너무 적어 편광경으로도 쉽게 검출되지 않습니다.

이론적으로 가장 높은 어닐링 온도는 3분 후에 95%의 응력이 제거될 수 있음을 의미합니다. 가장 낮은 어닐링 온도에서는 3분 후에 5% 응력이 해제됩니다. 생산 현장에서 일반적으로 사용되는 온도는 최고 소둔 온도보다 50°C 낮고 최저 소둔 온도보다 100°C 높습니다. 어닐링하는 방법은 여러 가지가 있지만 주요 방법은 노에서 어닐링하는 것인데, 이것이 이 논의의 초점입니다.

위에서 언급한 어닐링 원리에 따라 석영 유리의 어닐링은 가열 단계, 항온 단계, 냉각 단계 및 자연 냉각 단계의 4단계로 구분됩니다.

1. 가열단계 석영 유리의 경우 이 작업은 광학 제품의 어닐링 요구 사항을 기반으로 합니다. 전체 가열 과정에는 1100°C까지 천천히 가열되는 과정이 포함됩니다. 경험에 따르면 온도 상승은 4.5/R²°C/min이며, 여기서 R은 석영 유리 제품의 반경입니다.
2. 항온단계 석영 막대가 실제 최고 어닐링 온도에 도달하면 노 본체는 제품의 균일한 가열을 보장하기 위해 일정한 온도로 유지되어 다음 냉각 단계를 준비합니다.
3. 냉각단계 석영 막대의 냉각 과정에서 영구 응력을 제거하거나 거의 생성하지 않으려면 온도를 천천히 낮추어 큰 온도 구배를 방지해야 합니다. 냉각 속도는 다음과 같습니다.
   • 1100°C ~ 950°C: 15°C/시간
   • 950°C~750°C: 30°C/시간
   • 750°C~450°C: 60°C/시간
4. 자연냉각단계 450°C 이하에서는 소둔로의 전원을 차단하고, 100°C 이하로 자연 냉각될 때까지 절연환경의 변화 없이 환경을 유지합니다. 100°C 이하에서는 단열 환경이 개방되어 실온으로 냉각됩니다.

위 단계에 포함된 시간과 온도는 이론 및 생산 실제 결과를 기반으로 합니다. 그림 1은 너무 짧은 가열이나 일정한 온도 시간으로 인해 가열이 고르지 않아 실패한 실험 제품을 보여줍니다.

석영 유리를 생산하고 가공하는 과정에서 일시적이든 영구적이든 모든 단계에서 제품에 응력이 존재합니다. 일시적인 응력을 제거하거나 영구적인 응력을 줄이기 위해 “화염”, “HF산”, “어닐링로”와 같은 방법을 사용할 수 있습니다. 응력 제거는 석영 제품의 기계적 안정성과 광학적 균일성을 향상시키는 데 중요합니다.

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