Исследования по технологиям обработки и отжига кварцевого стекла

Это исследование методов обработки и отжига кварцевого стекла направлено на производство оптоволокна и связанные с ним проекты. Целью компании является улучшение стабильности кварцевых изделий при высоких и нормальных температурах на практике, обеспечивая плавное применение изделий в различных сценариях.

Кварцевое стекло классифицируется по методам обработки, использованию и внешнему виду, например, плавленое прозрачное кварцевое стекло, плавленое кварцевое стекло, газоочищенное прозрачное кварцевое стекло, синтетическое кварцевое стекло, непрозрачное кварцевое стекло, оптическое кварцевое стекло, кварцевое стекло для полупроводников и кварцевое стекло. стекло для источников электрического света. Они делятся на две основные категории: прозрачные и непрозрачные. По чистоте его разделяют на три категории: высокой чистоты, обыкновенный и легированный.

Расстекловывание жаростойкого кварцевого стекла является присущим дефектом. Кварцевое стекло имеет более высокую внутреннюю энергию, чем кристаллический кварц, что делает его термодинамически нестабильным метастабильным состоянием. Молекулы SiO2 ускоряют вибрацию и после длительной перестройки и ориентации образуют кристаллы. Кристаллизация преимущественно происходит на поверхности, за ней следуют внутренние дефекты, так как эти участки склонны к загрязнению, приводящему к локализованному накоплению примесных ионов. В частности, ионы щелочей (таких как K, Na, Li, Ca, Mg) снижают вязкость при попадании в сетку, ускоряя расстекловывание.

В этой статье обсуждаются обработанные кварцевые компоненты, охватывающие только прозрачное синтетическое кварцевое стекло конденсатора.

При обработке кварцевого стекла обычно используют водородно-кислородное пламя с температурой обработки около 1500-1600°С.

Стекло – плохой проводник тепла. При нагревании или охлаждении куска кварцевого стекла (без давления) внешний слой кварцевого стекла непосредственно нагревается или начинает охлаждаться первым, а внутреннее стекло нагревается (теплопроводность передает внешнее тепло внутрь) или потом охлаждается. . Это создает разницу температур между поверхностью и внутренней частью кварцевого стекла. При нагревании температура поверхности кварцевого стекла с прямым нагревом высока, а внутренняя температура кварцевого стекла, принимающего тепло, низкая, что приводит к расширению внешнего слоя нагретого кварцевого стекла. Внутренняя часть с более низкой температурой пытается сохранить исходное состояние, препятствуя расширению внешнего слоя. Таким образом, внутри кварцевого стекла происходят расширение и противорасширение, создавая в результате взаимодействия два типа напряжений: сжимающее напряжение и растягивающее напряжение. Сила, пытающаяся предотвратить расширение внешнего слоя кварцевого стекла внутрь и воздействие на внешний слой, называется сжимающим напряжением, а сила, оказываемая внешним слоем кварцевого стекла, расширяющимся внутрь, известна как растягивающее напряжение.

Поскольку прочность кварцевого стекла на сжатие значительно превышает его прочность на растяжение, внутренний и внешний слои кварцевого стекла выдерживают значительные перепады температур при нагревании. При обработке лампой кварцевое стекло можно нагревать непосредственно в водородно-кислородном пламени, не разбивая его. И наоборот, когда кварцевое стекло, нагретое до 500°C или выше, помещается в охлаждающую воду, оно легко трескается.

Распределение напряжений, возникающих при обработке ламп, примерно следующее:

1. Напряжение при ротационном плавлении Руки оператора вращают и плавят стеклянную трубку в пламени горелки. Поскольку стеклянная трубка нагревается за счет вращения, а не в расплавленной части, напряжение проявляется в виде круговых линий.
2. Напряжение при боковом плавлении При отверстиях, боковых соединениях и поперечной внутренней сварке кварцевых трубок кварцевая трубка не вращается, что приводит к иному распределению напряжений, чем упомянуто выше. В это время напряжение распределяется вокруг расплавленной детали.
3. Напряжение в кольцевых соединениях Кольцевые соединения относятся к сварке внутреннего сердечника.
4. Напряжение в запечатанных концах кожухов Изделия с кварцевыми оболочками для инструментов бывают разных форм, но все они запечатаны. Например, в стандартной прямой трубке конденсатора, когда оба конца герметизированы, напряжение присутствует не только на внешней оболочке, но и на внутреннем сердечнике, что приводит к значительным напряжениям.

Величина напряжения меняется в зависимости от разницы температур и толщины кварцевого стекла. Чем больше разница температур и чем толще стекло, тем больше напряжение. Поэтому снятие стресса особенно важно.

Термическое напряжение в изделиях из кварцевого стекла можно разделить на временное напряжение и постоянное напряжение.

Временное напряжение возникает, когда изменение температуры стекла ниже температуры точки деформации, что приводит к неравномерному общему нагреву из-за плохой теплопроводности, создавая определенное тепловое напряжение. Это термическое напряжение существует из-за разницы температур и известно как временное напряжение.

Следует отметить, что, поскольку обычно обрабатываемые стержни с кварцевым сердечником содержат различные химические вещества, они склонны к неравномерному нагреву. Поэтому после сварки следует использовать пламя для равномерного нагрева тела стержня, делая общий градиент температуры максимально плавным, что значительно снижает временные напряжения стержня с кварцевым сердечником.

Когда стекло охлаждается выше температуры точки деформации, тепловое напряжение, создаваемое разницей температур, не исчезает полностью после охлаждения до комнатной температуры, оставляя некоторое напряжение в стекле. Величина остаточных напряжений зависит от скорости охлаждения выше температуры точки деформации, вязкости кварцевого стекла, коэффициента термического расширения и толщины изделия.

Как упоминалось выше, постоянное напряжение, возникающее после обработки кварцевого стержня, влияет на последующую обработку и производство. Поэтому постоянное напряжение можно устранить только путем отжига.

Обычно стеклянные изделия после обработки подвергают отжигу. Отжиг — это процесс термообработки между температурой перехода и температурой точки деформации для устранения термического напряжения, возникающего в процессе производства. Обычно чем больше коэффициент расширения стекла, чем больше диаметр и чем сложнее состояние продукта, тем сильнее напряжение. Как упоминалось ранее, контактируемый кварцевый стержень имеет большой диаметр и содержит стержни со смешанным сердечником, поэтому для снятия напряжений требуется строгая термическая обработка.

В реальном производстве невозможно полностью исключить напряжения внутри тела стержня при отжиге кварцевого стержня. Однако остаточное количество настолько мало, что его нелегко обнаружить даже под полярископом.

Теоретически самая высокая температура отжига означает, что напряжение 95% можно устранить через 3 минуты; самая низкая температура отжига приводит к снятию напряжения 5% через 3 минуты. В производственной практике обычно используемая температура на 50°C ниже самой высокой температуры отжига и на 100°C выше самой низкой температуры отжига. Существует много способов отжига, но основным методом является отжиг в печи, которому и посвящено данное обсуждение.

В соответствии с упомянутым выше принципом отжига отжиг кварцевого стекла делится на четыре этапа: этап нагрева, этап постоянной температуры, этап охлаждения и этап естественного охлаждения.

1. Этап нагрева Для кварцевого стекла эта работа основана на требованиях к отжигу оптических изделий. Весь процесс нагрева включает медленный нагрев до 1100°С. По опыту повышение температуры составляет 4,5/R²°C/мин, где R – радиус изделия из кварцевого стекла.
2. Стадия постоянной температуры Когда кварцевый стержень достигает фактической самой высокой температуры отжига, корпус печи поддерживается при постоянной температуре, чтобы обеспечить равномерный нагрев изделия и подготовить его к следующему этапу охлаждения.
3. Стадия охлаждения Чтобы устранить или создать минимальное постоянное напряжение в процессе охлаждения кварцевого стержня, температуру следует медленно снижать, чтобы предотвратить большой температурный градиент. Скорость охлаждения следующая:
   • От 1100°C до 950°C: 15°C/час
   • от 950°C до 750°C: 30°C/час
   • От 750°C до 450°C: 60°C/час
4. Этап естественного охлаждения При температуре ниже 450°C питание печи отжига отключается, и окружающая среда поддерживается без изменения изоляционной среды до тех пор, пока она естественным образом не остынет до температуры ниже 100°C. При температуре ниже 100°C изоляционная среда открывается и охлаждается до комнатной температуры.

Время и температура, используемые на вышеуказанных этапах, основаны на результатах теории и производственной практики. На рисунке 1 показаны неудачные экспериментальные изделия из-за неравномерного нагрева, вызванного слишком коротким временем нагрева или постоянной температурой.

В процессе производства и обработки кварцевого стекла стресс существует в изделиях на любом этапе, будь то временный или постоянный. Для снятия временного напряжения или уменьшения постоянного напряжения можно использовать такие методы, как «пламень», «HF-кислота» и «печь отжига». Снятие напряжения имеет решающее значение для улучшения механической стабильности и оптической однородности кварцевых изделий.

Компания GlobalQT (Global Quartz Tube) специализируется на высококачественных изделия из кварцевого стекла настраиваемые решения для удовлетворения ваших конкретных потребностей. Для получения дополнительной информации посетите наш сайт Веб-сайт или свяжитесь с нами по электронной почте по адресу contact@globalquartztube.com.