Kvarcinio stiklo apdorojimo ir atkaitinimo metodų tyrimas

Šis kvarcinio stiklo apdirbimo ir atkaitinimo metodų tyrimas skirtas šviesolaidžio gamybai ir susijusiems projektams. Praktikoje siekiama pagerinti kvarco gaminių stabilumą aukštoje ir normalioje temperatūroje, užtikrinant sklandų gaminių naudojimą įvairiais scenarijais.

Kvarcinis stiklas klasifikuojamas pagal apdirbimo būdus, paskirtį ir išvaizdą, pavyzdžiui, lydytas skaidrus kvarcinis stiklas, lydytas kvarcinis stiklas, dujomis rafinuotas skaidrus kvarcinis stiklas, sintetinis kvarcinis stiklas, nepermatomas kvarcinis stiklas, optinis kvarcinis stiklas, kvarcinis stiklas puslaidininkiams ir kvarcas stiklas elektros šviesos šaltiniams. Jie skirstomi į dvi pagrindines kategorijas: skaidrius ir nepermatomus. Pagal grynumą jis skirstomas į tris kategorijas: didelio grynumo, įprastą ir legiruotą.

Aukštai temperatūrai atsparaus kvarcinio stiklo devitrifikacija yra būdingas defektas. Kvarcinis stiklas turi didesnę vidinę energiją nei kristalinis kvarcas, todėl jis yra termodinamiškai nestabili metastabili būsena. SiO2 molekulės pagreitina vibraciją ir formuoja kristalus po ilgalaikio persitvarkymo ir orientacijos. Kristalizacija daugiausia vyksta paviršiuje, o vėliau atsiranda vidinių defektų, nes šios sritys yra linkusios užteršti, todėl vietiškai kaupiasi priemaišų jonai. Ypač šarminiai jonai (pvz., K, Na, Li, Ca, Mg) sumažina klampumą, kai patenka į tinklą, pagreitindami devitrifikaciją.

Šiame straipsnyje aptariami apdoroti kvarco komponentai, apimantys tik skaidrų sintetinį kondensatorių kvarcinį stiklą.

Apdorojant kvarcinį stiklą, paprastai naudojama vandenilio-deguonies liepsna, kurios apdorojimo temperatūra yra apie 1500–1600 °C.

Stiklas yra prastas šilumos laidininkas. Kai kvarcinio stiklo gabalas (be slėgio) pašildomas arba atšaldomas, išorinis kvarcinio stiklo sluoksnis tiesiogiai pašildomas arba pirmiausia pradeda vėsti, o vidinis stiklas įkaista (šilumos laidumas perduoda išorinę šilumą į vidų) arba po to atšaldomas. . Taip susidaro temperatūrų skirtumas tarp kvarcinio stiklo paviršiaus ir vidaus. Kaitinamas, tiesiogiai šildomo kvarcinio stiklo paviršiaus temperatūra yra aukšta, o šilumą gaunančio kvarcinio stiklo vidinė temperatūra yra žema, todėl išorinis šildomo kvarcinio stiklo sluoksnis plečiasi. Žemesnės temperatūros interjeras stengiasi išlaikyti pradinę būseną, trukdydamas išoriniam sluoksniui plėstis. Taigi kvarciniame stikle vyksta plėtimasis ir anti-išsiplėtimas, dėl sąveikos susidaro dviejų tipų įtempiai: gniuždymo ir tempimo įtempiai. Jėga, bandanti neleisti išoriniam kvarcinio stiklo sluoksniui plėstis į vidų ir veikti išorinį sluoksnį, vadinama gniuždymo įtempimu, o jėga, kurią veikia išorinis kvarcinio stiklo sluoksnis, besiplečiantis į vidų, yra žinomas kaip tempimo įtempis.

Kadangi kvarcinio stiklo stipris gniuždant yra daug didesnis nei jo atsparumas tempimui, vidinis ir išorinis kvarcinio stiklo sluoksniai gali atlaikyti didelius temperatūrų skirtumus kaitinant. Apdorojant lempa, kvarcinis stiklas gali būti tiesiogiai kaitinamas vandenilio-deguonies liepsnoje, nesuduždamas. Ir atvirkščiai, kai kvarcinis stiklas, įkaitintas iki 500°C ar aukštesnės temperatūros, dedamas į vėsinantį vandenį, jis lengvai įtrūksta.

Įtempių pasiskirstymas, atsirandantis apdorojant lempą, yra maždaug toks:

1. Stresas sukimosi lydymosi metu Operatoriaus rankos sukasi ir tirpdo stiklinį vamzdelį degiklio liepsnoje. Kadangi stiklo vamzdis šildomas sukantis, o ne išlydytoje dalyje, įtempiai pasireiškia apskritomis linijomis.
2. Stresas šoninio tirpimo metu Kvarcinių vamzdžių angų, šoninių jungčių ir skersinės vidinės šerdies suvirinimo atveju kvarcinis vamzdis nesisuka, todėl įtempių pasiskirstymas skiriasi, nei minėta aukščiau. Šiuo metu įtempis pasiskirsto aplink išlydytą dalį.
3. Įtampa žiediniuose sąnariuose Žiedinės jungtys reiškia vidinės šerdies suvirinimą.
4. Stresas sandariuose striukės gaminių galuose Kvarcinių instrumentų apvalkalo gaminiai būna įvairių formų, tačiau visi yra sandarūs. Pavyzdžiui, standartiniame tiesiame kondensatoriaus vamzdyje, kai abu galai yra sandarūs, įtampa yra ne tik išoriniame apvalkale, bet ir vidinėje šerdyje, todėl susidaro didelis įtempis.

Įtempių dydis kinta priklausomai nuo temperatūrų skirtumo ir kvarcinio stiklo storio. Kuo didesnis temperatūrų skirtumas ir storesnis stiklas, tuo didesnis įtempis. Todėl streso pašalinimas yra ypač svarbus.

Kvarcinio stiklo gaminių šiluminis įtempis gali būti skirstomas į laikiną ir nuolatinį įtempį.

Laikinas įtempis atsiranda, kai stiklo temperatūros pokytis yra žemesnis už tempimo taško temperatūrą, todėl dėl prasto šilumos laidumo susidaro netolygi bendra šiluma ir susidaro tam tikras šiluminis įtempis. Šis terminis įtempis atsiranda dėl temperatūros skirtumo ir yra žinomas kaip laikinas įtempis.

Pažymėtina, kad kadangi dažniausiai apdorojamuose kvarco šerdies strypuose yra skirtingų cheminių medžiagų, jie linkę netolygiai įkaisti. Todėl po sujungimo liepsna turėtų būti naudojama tolygiai pašildyti strypo korpusą, kad bendras temperatūros gradientas būtų kuo sklandesnis ir žymiai sumažintų laikiną kvarco šerdies strypo įtempimą.

Kai stiklas atvėsta nuo tempimo taško temperatūros, temperatūros skirtumo sukuriamas šiluminis įtempis visiškai neišnyksta atvėsus iki kambario temperatūros, todėl stikle lieka tam tikras įtempis. Nuolatinio įtempio dydis priklauso nuo aušinimo greičio virš deformacijos taško temperatūros, kvarcinio stiklo klampumo, šiluminio plėtimosi koeficiento ir gaminio storio.

Kaip minėta pirmiau, nuolatinis įtempis, atsirandantis po kvarco strypo apdorojimo, turi įtakos tolesniam apdorojimui ir gamybai. Todėl nuolatinį įtampą galima pašalinti tik atkaitinus.

Paprastai stiklo gaminiai po apdorojimo atkaitinami. Atkaitinimas reiškia terminio apdorojimo procesą tarp pereinamosios temperatūros ir deformacijos taško temperatūros, kad būtų pašalintas šiluminis įtempis, susidarantis gamybos proceso metu. Paprastai kuo didesnis stiklo plėtimosi koeficientas, kuo didesnis skersmuo ir sudėtingesnė gaminio būsena, tuo didesnis įtempis. Kaip minėta anksčiau, kontaktinis kvarcinis strypas yra didelio skersmens ir jame yra mišrių šerdies strypų, todėl norint pašalinti įtampą, būtinas griežtas terminis apdorojimas.

Faktiškai gaminant neįmanoma visiškai pašalinti strypo korpuso įtempimo atkaitinant kvarcinį strypą. Tačiau likutinis kiekis yra toks mažas, kad jo nėra lengva aptikti net po poliaroskopu.

Teoriškai aukščiausia atkaitinimo temperatūra reiškia, kad 95% įtempių galima pašalinti po 3 minučių; žemiausia atkaitinimo temperatūra lemia 5% įtampos išsiskyrimą po 3 minučių. Gamybos praktikoje dažniausiai naudojama temperatūra yra 50°C žemesnė už aukščiausią atkaitinimo temperatūrą ir 100°C aukštesnė už žemiausią atkaitinimo temperatūrą. Yra daug atkaitinimo būdų, tačiau pagrindinis būdas yra atkaitinimas krosnyje, kuris yra šios diskusijos akcentas.

Pagal pirmiau minėtą atkaitinimo principą, kvarcinio stiklo atkaitinimas skirstomas į keturis etapus: kaitinimo, pastovios temperatūros, aušinimo ir natūralaus aušinimo stadijos.

1. Šildymo pakopa Kvarciniam stiklui šis darbas pagrįstas optinių gaminių atkaitinimo reikalavimais. Visas kaitinimo procesas apima lėtą kaitinimą iki 1100°C. Remiantis patirtimi, temperatūros kilimas yra 4,5/R²°C/min, kur R yra kvarcinio stiklo gaminio spindulys.
2. Pastovios temperatūros etapas Kai kvarco strypas pasiekia faktinę aukščiausią atkaitinimo temperatūrą, krosnies korpusas palaikomas pastovioje temperatūroje, kad būtų užtikrintas vienodas gaminio šildymas, paruošiamas kitam aušinimo etapui.
3. Aušinimo etapas Norint pašalinti arba sukelti labai mažą nuolatinį įtempimą kvarco strypo aušinimo proceso metu, temperatūra turi būti lėtai mažinama, kad būtų išvengta didelio temperatūros gradiento. Aušinimo greitis yra toks:
   • 1100°C iki 950°C: 15°C/val
   • 950°C – 750°C: 30°C/val
   • nuo 750°C iki 450°C: 60°C/val
4. Natūralus aušinimo etapas Žemesnėje nei 450°C temperatūroje atkaitinimo krosnies maitinimas išjungiamas, o aplinka palaikoma nekeičiant izoliacijos aplinkos, kol ji natūraliai atvės iki žemiau 100°C. Žemesnėje nei 100°C temperatūroje izoliacijos aplinka atidaroma ir ji atšąla iki kambario temperatūros.

Aukščiau nurodytuose etapuose naudojamas laikas ir temperatūra yra pagrįsti teoriniais ir gamybos praktikos rezultatais. 1 paveiksle pavaizduoti nesėkmingi eksperimentiniai produktai dėl netolygaus kaitinimo dėl per trumpo kaitinimo arba pastovios temperatūros laiko.

Gaminant ir apdorojant kvarcinį stiklą, gaminiuose bet kuriame etape, nesvarbu, ar jis laikinas, ar nuolatinis, įtempis atsiranda. Laikinam įtempimui pašalinti arba nuolatiniam stresui sumažinti gali būti naudojami tokie metodai kaip „liepsna“, „HF rūgštis“ ir „atkaitinimo krosnis“. Įtempių pašalinimas yra labai svarbus siekiant pagerinti kvarco gaminių mechaninį stabilumą ir optinį vienodumą.

"GlobalQT" ("Global Quartz Tube") specializuojamės aukštos kokybės kvarcinio stiklo gaminiai su pritaikomais sprendimais, atitinkančiais jūsų konkrečius poreikius. Norėdami gauti daugiau informacijos, apsilankykite mūsų Interneto svetainė arba susisiekite su mumis el contact@globalquartztube.com.