Pētījumi par kvarca stikla apstrādes un atkausēšanas metodēm

Šis pētījums par kvarca stikla apstrādes un atkausēšanas metodēm ir vērsts uz optisko šķiedru ražošanu un saistītiem projektiem. Tā cenšas ar praksi uzlabot kvarca izstrādājumu stabilitāti augstā un normālā temperatūrā, nodrošinot vienmērīgu izstrādājumu pielietojumu dažādos scenārijos.

Kvarca stiklu klasificē pēc apstrādes metodēm, lietojumiem un izskata, piemēram, kausēts caurspīdīgs kvarca stikls, kausēts kvarca stikls, gāzi attīrīts caurspīdīgs kvarca stikls, sintētiskais kvarca stikls, necaurspīdīgs kvarca stikls, optiskais kvarca stikls, kvarca stikls pusvadītājiem un kvarcs stikls elektriskiem gaismas avotiem. Tie ir sadalīti divās galvenajās kategorijās: caurspīdīga un necaurspīdīga. Pamatojoties uz tīrību, to iedala trīs kategorijās: augstas tīrības pakāpes, parastā un leģētā.

Augstas temperatūras izturīga kvarca stikla devitrifikācija ir raksturīgs defekts. Kvarca stiklam ir lielāka iekšējā enerģija nekā kristāliskajam kvarcam, padarot to par termodinamiski nestabilu metastabilu stāvokli. SiO2 molekulas paātrina vibrāciju un veido kristālus pēc ilgstošas pārkārtošanās un orientācijas. Kristalizācija galvenokārt notiek uz virsmas, kam seko iekšējie defekti, jo šajās vietās ir nosliece uz piesārņojumu, izraisot lokālu piemaisījumu jonu uzkrāšanos. Jo īpaši sārmu joni (piemēram, K, Na, Li, Ca, Mg) samazina viskozitāti, nonākot tīklā, paātrinot devitrifikāciju.

Šajā rakstā ir apskatīti apstrādāti kvarca komponenti, kas aptver tikai caurspīdīgu sintētisko kondensatoru kvarca stiklu.

Apstrādājot kvarca stiklu, parasti izmanto ūdeņraža-skābekļa liesmu, kuras apstrādes temperatūra ir aptuveni 1500-1600 °C.

Stikls ir slikts siltuma vadītājs. Kad kvarca stikla gabals (bez spiediena) tiek uzkarsēts vai atdzesēts, kvarca stikla ārējais slānis tiek tieši uzkarsēts vai vispirms sāk atdzist, un iekšējais stikls tiek uzkarsēts (siltuma vadītspēja pārnes ārējo siltumu uz iekšpusi) vai pēc tam atdzesē. . Tas rada temperatūras starpību starp kvarca stikla virsmu un iekšpusi. Sildot, tieši uzkarsētā kvarca stikla virsmas temperatūra ir augsta, un siltumu uztverošā kvarca stikla iekšējā temperatūra ir zema, izraisot apsildāmā kvarca stikla ārējā slāņa izplešanos. Zemākas temperatūras iekšpuse cenšas saglabāt savu sākotnējo stāvokli, kavējot ārējā slāņa izplešanos. Tādējādi kvarca stiklā notiek izplešanās un pretizplešanās, mijiedarbības dēļ radot divu veidu spriegumu: spiedes spriegumu un stiepes spriegumu. Spēku, kas cenšas novērst kvarca stikla ārējā slāņa izplešanos uz iekšu un iedarbošanos uz ārējo slāni, sauc par spiedes spriegumu, savukārt spēku, ko iedarbojas kvarca stikla ārējais slānis, kas izplešas uz iekšu, sauc par stiepes spriegumu.

Tā kā kvarca stikla spiedes izturība ir daudz lielāka par tā stiepes izturību, kvarca stikla iekšējais un ārējais slānis var izturēt ievērojamas temperatūras atšķirības karsēšanas laikā. Apstrādājot ar lampu, kvarca stiklu var tieši karsēt ūdeņraža-skābekļa liesmā, nesalaužot. Un otrādi, kad kvarca stikls, kas uzkarsēts līdz 500°C vai augstāk, tiek ievietots dzesēšanas ūdenī, tas viegli saplaisā.

Sprieguma sadalījums, ko rada lampas apstrāde, ir aptuveni šāds:

1. Stress rotācijas kausēšanā Operatora rokas griežas un izkausē stikla cauruli lāpas liesmā. Tā kā stikla caurule tiek uzkarsēta ar rotāciju, nevis izkausētajā daļā, spriegums izpaužas kā apļveida līnijas.
2. Stress sānu kušanas gadījumā Kvarca cauruļu atverēm, sānu savienojumiem un šķērsvirziena iekšējā serdeņa metināšanai kvarca caurule negriežas, kā rezultātā sprieguma sadalījums atšķiras no iepriekš minētā. Šajā laikā spriegums tiek sadalīts ap izkausēto daļu.
3. Stress gredzenveida locītavās Gredzena savienojumi attiecas uz iekšējās serdes metināšanu.
4. Stress aizzīmogotos jaku izstrādājumu galos Kvarca instrumentu apvalku izstrādājumiem ir dažādas formas, taču tie visi ir aizzīmogoti. Piemēram, standarta taisnā kondensatora caurulē, kad abi gali ir noslēgti, spriedze ir ne tikai ārējā apvalkā, bet arī iekšējā serdenī, kas rada ievērojamu stresu.

Sprieguma lielums mainās atkarībā no temperatūras starpības un kvarca stikla biezuma. Jo lielāka temperatūras starpība un biezāks stikls, jo lielāks spriegums. Tāpēc stresa noņemšana ir īpaši svarīga.

Termisko spriegumu kvarca stikla izstrādājumos var iedalīt īslaicīgā un pastāvīgā spriedzē.

Īslaicīgs spriegums rodas, kad stikla temperatūras izmaiņas ir zemākas par deformācijas punkta temperatūru, kā rezultātā sliktas siltumvadītspējas dēļ veidojas nevienmērīgs kopējais siltums, radot noteiktu termisko spriegumu. Šis termiskais spriegums pastāv temperatūras starpības dēļ, un to sauc par pagaidu stresu.

Jāņem vērā, ka, tā kā parasti apstrādātie kvarca serdeņu stieņi satur dažādas ķīmiskas vielas, tie ir pakļauti nevienmērīgai karsēšanai. Tāpēc pēc savienošanas liesma jāizmanto, lai vienmērīgi uzsildītu stieņa korpusu, padarot kopējo temperatūras gradientu pēc iespējas vienmērīgāku, ievērojami samazinot kvarca serdes stieņa pagaidu spriegumu.

Kad stikls atdziest virs deformācijas punkta temperatūras, temperatūras starpības radītais termiskais spriegums pēc atdzesēšanas līdz istabas temperatūrai pilnībā neizzūd, atstājot stiklā zināmu spriegumu. Pastāvīgā sprieguma lielums ir atkarīgs no dzesēšanas ātruma virs deformācijas punkta temperatūras, kvarca stikla viskozitātes, termiskās izplešanās koeficienta un izstrādājuma biezuma.

Kā minēts iepriekš, pastāvīgais spriegums, kas rodas pēc kvarca stieņa apstrādes, ietekmē turpmāko apstrādi un ražošanu. Tāpēc pastāvīgo stresu var novērst tikai ar atlaidināšanu.

Parasti stikla izstrādājumi pēc apstrādes tiek atkausēti. Rūdīšana attiecas uz termiskās apstrādes procesu starp pārejas temperatūru un deformācijas punkta temperatūru, lai novērstu termisko spriegumu, kas rodas ražošanas procesā. Parasti, jo lielāks ir stikla izplešanās koeficients, jo lielāks ir diametrs un sarežģītāks izstrādājuma stāvoklis, jo lielāks ir spriegums. Kā minēts iepriekš, kvarca stienim, ar kuru saskaras, ir liels diametrs un tajā ir jauktas serdes stieņi, tāpēc, lai noņemtu stresu, ir nepieciešama stingra termiskā apstrāde.

Faktiskajā ražošanā nav iespējams pilnībā novērst stieņa korpusa spriegumu kvarca stieņa atkausēšanas laikā. Tomēr atlikušais daudzums ir tik mazs, ka to nav viegli noteikt pat ar polariskopu.

Teorētiski augstākā atlaidināšanas temperatūra nozīmē, ka 95% no sprieguma var tikt novērsts pēc 3 minūtēm; zemākā atkausēšanas temperatūra rada 5% spriedzes atbrīvošanu pēc 3 minūtēm. Ražošanas praksē parasti izmantotā temperatūra ir par 50°C zemāka par augstāko atlaidināšanas temperatūru un par 100°C augstāka par zemāko atkausēšanas temperatūru. Ir daudz veidu, kā atkausēt, bet galvenā metode ir atkausēšana krāsnī, kas ir šīs diskusijas uzmanības centrā.

Saskaņā ar iepriekš minēto atkausēšanas principu kvarca stikla atkausēšana ir sadalīta četros posmos: sildīšanas stadija, pastāvīgas temperatūras stadija, dzesēšanas stadija un dabiskā dzesēšanas stadija.

1. Apkures posms Kvarca stiklam šis darbs ir balstīts uz optisko izstrādājumu atkausēšanas prasībām. Viss karsēšanas process ietver lēnu karsēšanu līdz 1100°C. Pēc pieredzes temperatūras paaugstināšanās ir 4,5/R²°C/min, kur R ir kvarca stikla izstrādājuma rādiuss.
2. Pastāvīgas temperatūras posms Kad kvarca stienis sasniedz faktisko augstāko atlaidināšanas temperatūru, krāsns korpuss tiek turēts nemainīgā temperatūrā, lai nodrošinātu vienmērīgu produkta uzsildīšanu, sagatavojot to nākamajam dzesēšanas posmam.
3. Dzesēšanas stadija Lai novērstu vai radītu ļoti mazu pastāvīgu stresu kvarca stieņa dzesēšanas procesā, temperatūra ir lēnām jāsamazina, lai novērstu lielu temperatūras gradientu. Dzesēšanas ātrumi ir šādi:
   • 1100°C līdz 950°C: 15°C/stundā
   • 950°C līdz 750°C: 30°C/stundā
   • 750°C līdz 450°C: 60°C/stundā
4. Dabiskā dzesēšanas stadija Ja temperatūra ir zemāka par 450°C, atlaidināšanas krāsns strāva tiek izslēgta, un vide tiek uzturēta, nemainot izolācijas vidi, līdz tā dabiski atdziest līdz zem 100°C. Zem 100°C izolācijas vide tiek atvērta, un tā atdziest līdz istabas temperatūrai.

Iepriekšminētajās darbībās izmantotais laiks un temperatūra ir balstīta uz teorētiskajiem un ražošanas prakses rezultātiem. 1. attēlā parādīti neveiksmīgi eksperimentālie produkti nevienmērīgas sildīšanas dēļ, ko izraisījis pārāk īss sildīšanas laiks vai nemainīgs temperatūras laiks.

Kvarca stikla ražošanas un apstrādes procesā spriedze izstrādājumos pastāv jebkurā pagaidu vai pastāvīgā posmā. Lai noņemtu pagaidu stresu vai samazinātu pastāvīgo stresu, var izmantot tādas metodes kā “liesma”, “HF skābe” un “rūdīšanas krāsns”. Sprieguma noņemšana ir ļoti svarīga, lai uzlabotu kvarca izstrādājumu mehānisko stabilitāti un optisko viendabīgumu.

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 tīmekļa vietne vai sazinieties ar mums pa e-pastu uz contact@globalquartztube.com.