Badania nad technikami przetwarzania i wyżarzania szkła kwarcowego

Celem badań nad technikami przetwarzania i wyżarzania szkła kwarcowego jest produkcja włókien światłowodowych i powiązane projekty. Ma na celu poprawę stabilności produktów kwarcowych w wysokich i normalnych temperaturach poprzez praktykę, zapewniając płynne stosowanie produktów w różnych scenariuszach.

Szkło kwarcowe klasyfikuje się według metod przetwarzania, zastosowań i wyglądu, np. stapiane przezroczyste szkło kwarcowe, stapiane szkło kwarcowe, przezroczyste szkło kwarcowe rafinowane gazowo, syntetyczne szkło kwarcowe, nieprzezroczyste szkło kwarcowe, optyczne szkło kwarcowe, szkło kwarcowe do półprzewodników i kwarc szkło do elektrycznych źródeł światła. Dzielą się one na dwie główne kategorie: przezroczyste i nieprzezroczyste. Ze względu na czystość dzieli się go na trzy kategorie: wysoką czystość, zwykłą i domieszkowaną.

Dewitryfikacja szkła kwarcowego odpornego na wysoką temperaturę jest wrodzoną wadą. Szkło kwarcowe ma wyższą energię wewnętrzną niż kwarc krystaliczny, co czyni go termodynamicznie niestabilnym stanem metastabilnym. Cząsteczki SiO2 przyspieszają wibracje i tworzą kryształy po długotrwałym przegrupowaniu i orientacji. Krystalizacja zachodzi głównie na powierzchni, po której następują defekty wewnętrzne, ponieważ obszary te są podatne na zanieczyszczenia, co prowadzi do miejscowego gromadzenia się jonów zanieczyszczeń. W szczególności jony alkaliczne (takie jak K, Na, Li, Ca, Mg) zmniejszają lepkość na wejściu do sieci, przyspieszając dewitryfikację.

W artykule omówiono przetworzone elementy kwarcowe, obejmujące wyłącznie przezroczyste syntetyczne szkło kwarcowe kondensatorów.

Podczas obróbki szkła kwarcowego zwykle stosuje się płomień wodorowo-tlenowy, a temperatura przetwarzania wynosi około 1500-1600°C.

Szkło jest złym przewodnikiem ciepła. Kiedy kawałek szkła kwarcowego (bez ciśnienia) jest podgrzewany lub chłodzony, zewnętrzna warstwa szkła kwarcowego jest bezpośrednio nagrzewana lub zaczyna się najpierw ochładzać, a szkło wewnętrzne jest podgrzewane (przewodzenie ciepła przenosi ciepło zewnętrzne do wnętrza) lub później schładzane . Powoduje to powstanie różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią a wnętrzem szkła kwarcowego. Po podgrzaniu temperatura powierzchni bezpośrednio nagrzanego szkła kwarcowego jest wysoka, a temperatura wewnętrzna szkła kwarcowego odbierającego ciepło jest niska, co powoduje rozszerzanie się zewnętrznej warstwy ogrzanego szkła kwarcowego. Wnętrze o niższej temperaturze stara się zachować swój pierwotny stan, utrudniając rozszerzanie się warstwy zewnętrznej. Zatem w szkle kwarcowym zachodzi rozszerzanie i przeciwdziałanie rozszerzaniu, tworząc w wyniku interakcji dwa rodzaje naprężeń: naprężenie ściskające i naprężenie rozciągające. Siła, która zapobiega rozszerzaniu się zewnętrznej warstwy szkła kwarcowego do wewnątrz i działająca na warstwę zewnętrzną, nazywa się naprężeniem ściskającym, natomiast siła wywierana przez zewnętrzną warstwę szkła kwarcowego rozszerzającą się do wewnątrz nazywa się naprężeniem rozciągającym.

Ponieważ wytrzymałość szkła kwarcowego na ściskanie jest znacznie większa niż jego wytrzymałość na rozciąganie, wewnętrzne i zewnętrzne warstwy szkła kwarcowego mogą wytrzymać znaczne różnice temperatur podczas ogrzewania. Podczas obróbki lampą szkło kwarcowe można bezpośrednio ogrzać w płomieniu wodorowo-tlenowym bez pękania. I odwrotnie, szkło kwarcowe podgrzane do temperatury 500°C lub wyższej umieszczone w wodzie chłodzącej łatwo pęka.

Rozkład naprężeń generowany przez obróbkę lampy jest mniej więcej następujący:

1. Naprężenie w topnieniu rotacyjnym Ręce operatora obracają się i topią szklaną rurkę w płomieniu palnika. Ponieważ szklana rurka jest podgrzewana przez obrót, a nie w stopionej części, naprężenia objawiają się w postaci okrągłych linii.
2. Naprężenie w topnieniu bocznym W przypadku otworów, połączeń bocznych i poprzecznego spawania rdzenia wewnętrznego rur kwarcowych rura kwarcowa nie obraca się, co powoduje inny rozkład naprężeń niż wspomniany powyżej. W tym czasie naprężenia rozkładają się wokół stopionej części.
3. Naprężenia w połączeniach pierścieniowych Połączenia pierścieniowe odnoszą się do spawania rdzenia wewnętrznego.
4. Naprężenia w uszczelnionych końcach produktów płaszczowych Produkty z osłonami do instrumentów kwarcowych są dostępne w różnych formach, ale wszystkie są zapieczętowane. Na przykład w standardowej prostej rurze skraplacza, gdy oba końce są uszczelnione, naprężenia występują nie tylko na płaszczu zewnętrznym, ale także na rdzeniu wewnętrznym, co prowadzi do znacznych naprężeń.

Wielkość naprężenia zmienia się w zależności od różnicy temperatur i grubości szkła kwarcowego. Im większa różnica temperatur i im grubsze szkło, tym większe naprężenia. Dlatego usuwanie stresu jest szczególnie ważne.

Naprężenia termiczne w wyrobach ze szkła kwarcowego można podzielić na naprężenia tymczasowe i naprężenia trwałe.

Naprężenia przejściowe występują, gdy zmiana temperatury szkła jest niższa od temperatury punktu odkształcenia, co powoduje nierównomierne wydzielanie ciepła całkowitego z powodu słabej przewodności cieplnej, co powoduje pewne naprężenia termiczne. To naprężenie termiczne powstaje w wyniku różnicy temperatur i jest znane jako naprężenie tymczasowe.

Należy zauważyć, że ponieważ zwykle przetwarzane pręty z rdzeniem kwarcowym zawierają różne substancje chemiczne, są one podatne na nierównomierne nagrzewanie. Dlatego po spawaniu należy użyć płomienia, aby równomiernie ogrzać korpus pręta, tak aby ogólny gradient temperatury był jak najbardziej płynny, co znacznie zmniejsza tymczasowe naprężenia pręta z rdzeniem kwarcowym.

Kiedy szkło ochładza się powyżej temperatury punktu odkształcenia, naprężenia termiczne generowane przez różnicę temperatur nie znikają całkowicie po ochłodzeniu do temperatury pokojowej, pozostawiając pewne naprężenia w szkle. Wielkość naprężenia trwałego zależy od szybkości chłodzenia powyżej temperatury punktu odkształcenia, lepkości szkła kwarcowego, współczynnika rozszerzalności cieplnej i grubości produktu.

Jak wspomniano powyżej, trwałe naprężenia powstałe po obróbce pręta kwarcowego wpływają na późniejszą obróbkę i produkcję. Dlatego trwałe naprężenia można wyeliminować jedynie poprzez wyżarzanie.

Ogólnie rzecz biorąc, produkty szklane są po przetworzeniu poddawane wyżarzaniu. Wyżarzanie odnosi się do procesu obróbki cieplnej pomiędzy temperaturą przejścia a temperaturą odkształcenia w celu wyeliminowania naprężeń termicznych powstających podczas procesu produkcyjnego. Zwykle im większy współczynnik rozszerzalności szkła, im większa średnica i im bardziej złożony stan produktu, tym większe naprężenia. Jak wspomniano wcześniej, stykany pręt kwarcowy ma dużą średnicę i zawiera pręty z mieszanym rdzeniem, dlatego wymagana jest ścisła obróbka cieplna w celu usunięcia naprężeń.

W rzeczywistej produkcji niemożliwe jest całkowite wyeliminowanie naprężeń w korpusie pręta podczas wyżarzania pręta kwarcowego. Jednakże pozostała ilość jest tak mała, że nie można jej łatwo wykryć nawet pod polaryskopem.

Teoretycznie najwyższa temperatura wyżarzania oznacza, że naprężenie 95% można wyeliminować już po 3 minutach; najniższa temperatura wyżarzania powoduje uwolnienie naprężenia 5% po 3 minutach. W praktyce produkcyjnej powszechnie stosuje się temperaturę o 50°C niższą od najwyższej temperatury wyżarzania i o 100°C wyższą od najniższej temperatury wyżarzania. Istnieje wiele sposobów wyżarzania, ale główną metodą jest wyżarzanie w piecu, na którym skupia się ta dyskusja.

Zgodnie z wyżej wspomnianą zasadą wyżarzania, wyżarzanie szkła kwarcowego dzieli się na cztery etapy: etap nagrzewania, etap utrzymywania stałej temperatury, etap chłodzenia i etap naturalnego chłodzenia.

1. Etap ogrzewania W przypadku szkła kwarcowego praca ta opiera się na wymaganiach dotyczących wyżarzania produktów optycznych. Cały proces nagrzewania polega na powolnym nagrzewaniu do temperatury 1100°C. Z doświadczenia wynika, że wzrost temperatury wynosi 4,5/R²°C/min, gdzie R jest promieniem produktu ze szkła kwarcowego.
2. Etap stałej temperatury Kiedy pręt kwarcowy osiągnie rzeczywistą najwyższą temperaturę wyżarzania, korpus pieca utrzymuje się w stałej temperaturze, aby zapewnić równomierne nagrzanie produktu i przygotować go do następnego etapu chłodzenia.
3. Etap chłodzenia Aby wyeliminować lub wytworzyć bardzo małe trwałe naprężenia podczas procesu chłodzenia pręta kwarcowego, temperaturę należy powoli obniżać, aby zapobiec dużemu gradientowi temperatury. Szybkości chłodzenia są następujące:
   • 1100°C do 950°C: 15°C/godz
   • 950°C do 750°C: 30°C/godz
   • 750°C do 450°C: 60°C/godz
4. Etap naturalnego chłodzenia Poniżej 450°C zasilanie pieca do wyżarzania zostaje wyłączone, a środowisko jest utrzymywane bez zmiany środowiska izolacji, aż do naturalnego ochłodzenia się poniżej 100°C. Poniżej 100°C środowisko izolacji otwiera się i ochładza do temperatury pokojowej.

Czas i temperatura wymagane w powyższych etapach opierają się na wynikach teorii i praktyki produkcyjnej. Rysunek 1 przedstawia nieudane produkty eksperymentalne z powodu nierównomiernego ogrzewania spowodowanego zbyt krótkim ogrzewaniem lub stałym czasem temperatury.

W procesie produkcji i przetwarzania szkła kwarcowego w produktach na każdym etapie występują naprężenia, zarówno tymczasowe, jak i trwałe. Metody takie jak „płomień”, „kwas HF” i „piec do wyżarzania” można zastosować w celu usunięcia naprężeń tymczasowych lub zmniejszenia naprężeń stałych. Usuwanie naprężeń ma kluczowe znaczenie dla poprawy stabilności mechanicznej i jednorodności optycznej produktów kwarcowych.

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 strona internetowa lub skontaktuj się z nami poprzez e-mail pod adresem kontakt@globalquartztube.com.