Raziskave tehnik obdelave in žarjenja kremenčevega stekla

Ta raziskava o tehnikah obdelave in žarjenja kremenčevega stekla je namenjena proizvodnji optičnih vlaken in sorodnim projektom. S prakso želi izboljšati stabilnost kremenčevih izdelkov pri visokih in normalnih temperaturah, kar zagotavlja nemoteno uporabo izdelkov v različnih scenarijih.

Kremenčevo steklo je razvrščeno po metodah obdelave, uporabi in videzu, kot je taljeno prozorno kremenčevo steklo, taljeno kremenčevo steklo, s plinom prečiščeno prozorno kvarčno steklo, sintetično kremenčevo steklo, neprozorno kremenčevo steklo, optično kremenčevo steklo, kremenčevo steklo za polprevodnike in kremenčevo steklo. steklo za električne vire svetlobe. Razdeljeni so v dve glavni kategoriji: prozorni in neprozorni. Glede na čistost je razdeljen v tri kategorije: visoka čistost, navaden in dopiran.

Devitrifikacija kremenčevega stekla, odpornega na visoke temperature, je inherentna napaka. Kvarčno steklo ima večjo notranjo energijo kot kristalni kremen, zaradi česar je termodinamično nestabilno metastabilno stanje. Molekule SiO2 pospešijo vibracije in po dolgotrajnem preurejanju in orientaciji tvorijo kristale. Kristalizacija se večinoma pojavi na površini, sledijo ji notranje napake, saj so ta območja nagnjena k kontaminaciji, kar vodi do lokalnega kopičenja nečistoč. Zlasti alkalni ioni (kot so K, Na, Li, Ca, Mg) zmanjšajo viskoznost ob vstopu v mrežo in pospešijo devitrifikacijo.

Ta dokument obravnava obdelane kvarčne komponente, ki zajemajo samo prozorno sintetično kondenzatorsko kremenčevo steklo.

Pri obdelavi kremenčevega stekla se običajno uporablja plamen vodik-kisik s temperaturo obdelave približno 1500-1600 °C.

Steklo je slab prevodnik toplote. Ko kos kremenčevega stekla (brez pritiska) segrevamo ali ohlajamo, se zunanja plast kremenčevega stekla najprej neposredno segreje ali začne ohlajati, notranje steklo pa se segreje (toplotna prevodnost prenaša zunanjo toploto v notranjost) ali se nato ohladi. . To ustvarja temperaturno razliko med površino in notranjostjo kremenčevega stekla. Pri segrevanju je površinska temperatura neposredno segretega kremenčevega stekla visoka, notranja temperatura kremenčevega stekla, ki sprejema toploto, pa je nizka, zaradi česar se zunanji sloj segretega kremenčevega stekla razširi. Notranjost z nižjo temperaturo poskuša ohraniti svoje prvotno stanje in ovira širjenje zunanje plasti. Tako pride do ekspanzije in proti ekspanzije znotraj kremenčevega stekla, kar ustvarja dve vrsti napetosti zaradi interakcije: tlačno napetost in natezno napetost. Sila, ki poskuša preprečiti širjenje zunanje plasti kremenčevega stekla navznoter in deluje na zunanjo plast, se imenuje tlačna napetost, medtem ko je sila, s katero deluje zunanja plast kremenčevega stekla, ki se širi navznoter, znana kot natezna napetost.

Ker je tlačna trdnost kremenčevega stekla veliko večja od njegove natezne trdnosti, lahko notranja in zunanja plast kremenčevega stekla preneseta velike temperaturne razlike med segrevanjem. Pri obdelavi s svetilko lahko kremenčevo steklo neposredno segrevamo v vodikovo-kisikovem plamenu, ne da bi se razbilo. Nasprotno, ko kremenčevo steklo, segreto na 500 °C ali več, damo v hladilno vodo, zlahka poči.

Porazdelitev napetosti, ki nastane pri obdelavi svetilke, je približno naslednja:

1. Napetost pri rotacijskem taljenju Operaterjeve roke vrtijo in talijo stekleno cev v plamenu bakle. Ker se steklena cev segreva z vrtenjem in ne v staljenem delu, se napetost kaže kot krožne črte.
2. Stres pri stranskem taljenju Pri odprtinah, stranskih povezavah in prečnem varjenju notranjega jedra kremenčevih cevi se kvarčna cev ne vrti, kar povzroči drugačno porazdelitev napetosti od zgoraj navedene. V tem času se napetost porazdeli okoli staljenega dela.
3. Stres v obročnih sklepih Obročasti spoji se nanašajo na varjenje notranjega jedra.
4. Napetost v zaprtih koncih izdelkov jakne Izdelki iz kremenčevih plaščev za instrumente so v različnih oblikah, vendar so vsi zapečateni. Na primer, v standardni ravni kondenzatorski cevi, ko sta oba konca zatesnjena, napetost ni prisotna samo na zunanjem plašču, ampak tudi na notranjem jedru, kar vodi do znatne napetosti.

Velikost napetosti se spreminja glede na temperaturno razliko in debelino kremenčevega stekla. Večja kot je temperaturna razlika in debelejše kot je steklo, večja je obremenitev. Zato je odstranjevanje stresa še posebej pomembno.

Toplotno obremenitev izdelkov iz kremenčevega stekla lahko razdelimo na začasno in trajno obremenitev.

Začasna obremenitev se pojavi, ko je sprememba temperature stekla pod temperaturo deformacijske točke, kar povzroči neenakomerno skupno toploto zaradi slabe toplotne prevodnosti, kar ustvarja določeno toplotno obremenitev. Ta toplotna obremenitev obstaja zaradi temperaturne razlike in je znana kot začasna obremenitev.

Upoštevati je treba, da ker običajno obdelane palice iz kremenčevega jedra vsebujejo različne kemične snovi, so nagnjene k neenakomernemu segrevanju. Zato je treba po spajanju plamen uporabiti za enakomerno segrevanje telesa palice, s čimer je celoten temperaturni gradient čim bolj gladek, kar znatno zmanjša začasno obremenitev palice s kremenčevim jedrom.

Ko se steklo ohladi nad temperaturo deformacijske točke, toplotna obremenitev, ki nastane zaradi temperaturne razlike, po ohlajanju na sobno temperaturo ne izgine popolnoma, kar pusti nekaj napetosti v steklu. Velikost trajne napetosti je odvisna od hitrosti ohlajanja nad temperaturo deformacijske točke, viskoznosti kremenčevega stekla, koeficienta toplotnega raztezanja in debeline izdelka.

Kot je navedeno zgoraj, trajna napetost, ki nastane po obdelavi kremenčeve palice, vpliva na kasnejšo obdelavo in proizvodnjo. Zato lahko trajno napetost odpravimo le z žarjenjem.

Na splošno se stekleni izdelki po obdelavi žarijo. Žarjenje se nanaša na postopek toplotne obdelave med temperaturo prehoda in temperaturo deformacijske točke, da se odpravi toplotna obremenitev, ki nastane med proizvodnim procesom. Značilno je, da večji kot je ekspanzijski koeficient stekla, večji kot je premer in bolj zapleteno stanje izdelka, močnejša je obremenitev. Kot smo že omenili, ima kremenčeva palica, ki je bila v stiku, velik premer in vsebuje palice z mešanim jedrom, zato je za odstranitev napetosti potrebna stroga toplotna obdelava.

V dejanski proizvodnji je nemogoče popolnoma odpraviti napetost znotraj telesa palice med žarjenjem kremenčeve palice. Vendar pa je preostala količina tako majhna, da je ni zlahka zaznati niti pod polaroskopom.

Teoretično najvišja temperatura žarjenja pomeni, da se 95% stresa lahko odpravi po 3 minutah; najnižja temperatura žarjenja povzroči sprostitev napetosti 5% po 3 minutah. V proizvodni praksi je običajno uporabljena temperatura 50 °C nižja od najvišje temperature žarjenja in 100 °C višja od najnižje temperature žarjenja. Obstaja veliko načinov za žarjenje, vendar je glavna metoda žarjenje v peči, ki je v središču te razprave.

V skladu z zgoraj omenjenim principom žarjenja je žarjenje kremenčevega stekla razdeljeno na štiri stopnje: stopnja ogrevanja, stopnja konstantne temperature, stopnja hlajenja in stopnja naravnega hlajenja.

1. Stopnja ogrevanja Za kremenčevo steklo to delo temelji na zahtevah za žarjenje optičnih izdelkov. Celoten proces ogrevanja vključuje počasno segrevanje na 1100°C. Glede na izkušnje je dvig temperature 4,5/R²°C/min, kjer je R polmer izdelka iz kremenčevega stekla.
2. Stopnja konstantne temperature Ko kvarčna palica doseže dejansko najvišjo temperaturo žarjenja, se telo peči vzdržuje pri konstantni temperaturi, da se zagotovi enakomerno segrevanje izdelka in ga pripravi za naslednji korak ohlajanja.
3. Stopnja hlajenja Za odpravo ali ustvarjanje zelo majhne trajne napetosti med postopkom hlajenja kremenčeve palice je treba temperaturo počasi zniževati, da preprečite velik temperaturni gradient. Hitrosti hlajenja so naslednje:
   • 1100°C do 950°C: 15°C/uro
   • 950 °C do 750 °C: 30 °C/uro
   • 750 °C do 450 °C: 60 °C/uro
4. Stopnja naravnega hlajenja Pod 450 °C se napajanje žarilne peči izklopi, okolje pa se vzdržuje brez spreminjanja izolacijskega okolja, dokler se naravno ne ohladi pod 100 °C. Pod 100°C se izolacijsko okolje odpre in ohladi na sobno temperaturo.

Čas in temperatura, vključena v zgornje korake, temeljita na teoretičnih rezultatih in rezultatih proizvodne prakse. Slika 1 prikazuje neuspešne poskusne izdelke zaradi neenakomernega segrevanja, ki je posledica prekratkega časa segrevanja ali konstantne temperature.

V procesu izdelave in predelave kremenčevega stekla obstaja napetost v izdelkih v kateri koli fazi, bodisi začasne ali stalne. Metode, kot so "plamen", "HF kislina" in "peč za žarjenje", se lahko uporabljajo za odstranitev začasne obremenitve ali zmanjšanje trajne obremenitve. Odstranjevanje napetosti je ključnega pomena za izboljšanje mehanske stabilnosti in optične enotnosti kremenčevih izdelkov.

Pri GlobalQT (Global Quartz Tube) smo specializirani za visokokakovostne izdelki iz kremenčevega stekla s prilagodljivimi rešitvami, ki ustrezajo vašim posebnim potrebam. Za več informacij obiščite naše Spletna stran ali nas kontaktirajte po e-pošti na contact@globalquartztube.com.