Výskum techník spracovania a žíhania kremenného skla

Tento výskum techník spracovania a žíhania kremenného skla je zameraný na výrobu optických vlákien a súvisiace projekty. Snaží sa praxou zlepšiť stabilitu kremenných produktov pri vysokých a normálnych teplotách, čím sa zabezpečí hladká aplikácia produktov v rôznych scenároch.

Kremenné sklo sa klasifikuje podľa metód spracovania, použitia a vzhľadu, ako napríklad tavené priehľadné kremenné sklo, tavené kremenné sklo, plynom rafinované priehľadné kremenné sklo, syntetické kremenné sklo, nepriehľadné kremenné sklo, optické kremenné sklo, kremenné sklo pre polovodiče a kremeň sklo pre elektrické svetelné zdroje. Tieto sú rozdelené do dvoch hlavných kategórií: priehľadné a nepriehľadné. Na základe čistoty sa delí do troch kategórií: vysoká čistota, obyčajná a dopovaná.

Devitrifikácia kremenného skla odolného voči vysokej teplote je prirodzenou chybou. Kremenné sklo má vyššiu vnútornú energiu ako kryštalický kremeň, čo z neho robí termodynamicky nestabilný metastabilný stav. Molekuly SiO2 urýchľujú vibrácie a po dlhodobom prestavovaní a orientácii vytvárajú kryštály. Kryštalizácia sa vyskytuje hlavne na povrchu, po ktorej nasledujú vnútorné defekty, pretože tieto oblasti sú náchylné na kontamináciu, čo vedie k lokalizovanej akumulácii iónov nečistôt. Najmä alkalické ióny (ako K, Na, Li, Ca, Mg) znižujú viskozitu pri vstupe do siete, čím urýchľujú devitrifikáciu.

Tento článok pojednáva o spracovaných kremenných komponentoch, pokrývajúcich iba priehľadné syntetické kondenzátorové kremenné sklo.

Pri spracovaní kremenného skla sa typicky používa vodíkovo-kyslíkový plameň s teplotou spracovania asi 1500-1600 °C.

Sklo je zlý vodič tepla. Keď sa kus kremenného skla (bez tlaku) zahreje alebo ochladí, vonkajšia vrstva kremenného skla sa priamo zahreje alebo začne najskôr chladnúť a vnútorné sklo sa zahreje (vedenie tepla prenáša vonkajšie teplo dovnútra) alebo sa ochladí až potom. . To vytvára teplotný rozdiel medzi povrchom a vnútrom kremenného skla. Pri zahrievaní je povrchová teplota priamo vyhrievaného kremenného skla vysoká a vnútorná teplota kremenného skla prijímajúceho teplo je nízka, čo spôsobuje, že vonkajšia vrstva vyhrievaného kremenného skla expanduje. Nižšia teplota interiéru sa snaží zachovať svoj pôvodný stav, čím bráni expanzii vonkajšej vrstvy. V kremennom skle teda dochádza k expanzii a anti-expanzii, čo vytvára dva typy napätia v dôsledku interakcie: tlakové napätie a ťahové napätie. Sila, ktorá sa snaží zabrániť vonkajšej vrstve kremenného skla expandovať dovnútra a pôsobiť na vonkajšiu vrstvu, sa nazýva tlakové napätie, zatiaľ čo sila vyvíjaná vonkajšou vrstvou kremenného skla expandujúca dovnútra je známa ako ťahové napätie.

Pretože pevnosť kremenného skla v tlaku je oveľa väčšia ako jeho pevnosť v ťahu, vnútorná a vonkajšia vrstva kremenného skla môže odolať značným teplotným rozdielom počas zahrievania. Pri spracovaní lampou sa kremenné sklo môže priamo ohrievať vo vodíkovo-kyslíkovom plameni bez rozbitia. Naopak, keď sa kremenné sklo zahriate na 500 °C alebo viac vloží do chladiacej vody, ľahko praskne.

Rozloženie napätia generovaného spracovaním lampy je približne nasledovné:

1. Stres pri rotačnom tavení Ruky operátora otáčajú a tavia sklenenú trubicu v plameni horáka. Pretože sa sklenená trubica zahrieva skôr rotáciou ako v roztavenej časti, napätie sa prejavuje ako kruhové čiary.
2. Stres pri bočnom topení Pri otvoroch, bočných spojoch a priečnom zváraní vnútorného jadra kremenných trubíc sa kremenná trubica neotáča, čo má za následok iné rozloženie napätia, ako je uvedené vyššie. V tomto čase sa napätie rozloží okolo roztavenej časti.
3. Stres v prstencových spojoch Krúžkové spoje sa týkajú zvárania vnútorného jadra.
4. Stres v uzavretých koncoch bundových produktov Výrobky z kremenných plášťov nástrojov sa dodávajú v rôznych formách, ale všetky sú zapečatené. Napríklad v štandardnej rovnej trubici kondenzátora, keď sú oba konce utesnené, je napätie prítomné nielen na vonkajšom plášti, ale aj na vnútornom jadre, čo vedie k značnému namáhaniu.

Veľkosť napätia sa mení s teplotným rozdielom a hrúbkou kremenného skla. Čím väčší je teplotný rozdiel a čím je sklo hrubšie, tým väčšie je napätie. Preto je odstránenie stresu obzvlášť dôležité.

Tepelné namáhanie vo výrobkoch z kremenného skla možno rozdeliť na dočasné namáhanie a trvalé namáhanie.

Dočasné napätie nastáva, keď je zmena teploty skla pod teplotou bodu deformácie, čo vedie k nerovnomernému celkovému teplu v dôsledku zlej tepelnej vodivosti, čo vytvára určité tepelné napätie. Toto tepelné napätie existuje v dôsledku teplotného rozdielu a je známe ako dočasné napätie.

Je potrebné poznamenať, že keďže spracovávané tyče s kremenným jadrom zvyčajne obsahujú rôzne chemické látky, sú náchylné na nerovnomerné zahrievanie. Preto by sa po spájaní mal použiť plameň na rovnomerné zahriatie tela tyče, čím by bol celkový teplotný gradient čo najhladší, čím sa výrazne zníži dočasné namáhanie tyče s kremenným jadrom.

Keď sa sklo ochladzuje nad teplotou bodu deformácie, tepelné napätie spôsobené teplotným rozdielom po ochladení na izbovú teplotu úplne nezmizne a zanecháva určité napätie v skle. Veľkosť trvalého napätia závisí od rýchlosti ochladzovania nad teplotou bodu deformácie, viskozity kremenného skla, koeficientu tepelnej rozťažnosti a hrúbky produktu.

Ako bolo uvedené vyššie, trvalé napätie vznikajúce po spracovaní kremennej tyče ovplyvňuje následné spracovanie a výrobu. Trvalé napätie je preto možné odstrániť iba žíhaním.

Vo všeobecnosti sú sklenené výrobky po spracovaní žíhané. Žíhanie sa týka procesu tepelného spracovania medzi teplotou prechodu a teplotou bodu deformácie, aby sa eliminovalo tepelné napätie vznikajúce počas výrobného procesu. Typicky, čím väčší je koeficient rozťažnosti skla, čím väčší je priemer a čím zložitejší je stav produktu, tým silnejšie je napätie. Ako už bolo spomenuté, kremenná tyčinka má veľký priemer a obsahuje tyčinky so zmiešaným jadrom, takže na odstránenie napätia je potrebné prísne tepelné spracovanie.

Pri skutočnej výrobe nie je možné úplne eliminovať napätie v tele tyče počas žíhania kremennej tyče. Zvyškové množstvo je však také malé, že sa nedá ľahko zistiť ani pod polaroskopom.

Teoreticky najvyššia teplota žíhania znamená, že 951 TP3T napätia možno odstrániť po 3 minútach; najnižšia teplota žíhania vedie k uvoľneniu napätia 5% po 3 minútach. Vo výrobnej praxi sa bežne používa teplota o 50°C nižšia ako najvyššia teplota žíhania a o 100°C vyššia ako najnižšia teplota žíhania. Existuje mnoho spôsobov žíhania, ale hlavnou metódou je žíhanie v peci, na ktoré sa zameriava táto diskusia.

Podľa vyššie uvedeného princípu žíhania je žíhanie kremenného skla rozdelené do štyroch stupňov: stupeň ohrevu, stupeň konštantnej teploty, stupeň chladenia a stupeň prirodzeného chladenia.

1. Vykurovací stupeň V prípade kremenného skla je táto práca založená na požiadavkách na žíhanie optických produktov. Celý proces ohrevu zahŕňa pomalý ohrev na 1100°C. Podľa skúseností je nárast teploty 4,5/R²°C/min, kde R je polomer produktu z kremenného skla.
2. Stupeň konštantnej teploty Keď kremenná tyč dosiahne skutočne najvyššiu teplotu žíhania, teleso pece sa udržiava na konštantnej teplote, aby sa zabezpečilo rovnomerné zahrievanie produktu, čím sa pripraví na ďalší krok chladenia.
3. Stupeň chladenia Aby sa eliminovalo alebo vytvorilo veľmi malé trvalé napätie počas procesu chladenia kremennej tyče, teplota by sa mala pomaly znižovať, aby sa zabránilo veľkému teplotnému gradientu. Rýchlosti chladenia sú nasledovné:
   • 1100 °C až 950 °C: 15 °C/hod
   • 950 °C až 750 °C: 30 °C/hod
   • 750 °C až 450 °C: 60 °C/hod
4. Fáza prirodzeného chladenia Pod 450 °C sa vypne napájanie žíhacej pece a prostredie sa udržiava bez zmeny izolačného prostredia, kým sa prirodzene neochladí pod 100 °C. Pod 100°C sa izolačné prostredie otvorí a ochladí sa na izbovú teplotu.

Čas a teplota vo vyššie uvedených krokoch vychádzajú z výsledkov teoretickej a výrobnej praxe. Obrázok 1 ukazuje neúspešné experimentálne produkty v dôsledku nerovnomerného ohrevu spôsobeného príliš krátkym ohrevom alebo časom konštantnej teploty.

V procese výroby a spracovania kremenného skla existuje napätie vo výrobkoch v ktorejkoľvek fáze, či už dočasnej alebo trvalej. Metódy ako „plameň“, „kyselina HF“ a „žíhacia pec“ sa môžu použiť na odstránenie dočasného napätia alebo zníženie trvalého napätia. Odstránenie napätia je rozhodujúce pre zlepšenie mechanickej stability a optickej jednotnosti kremenných výrobkov.

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 webovej stránky alebo nás kontaktujte e-mailom na contact@globalquartztube.com.