Forskning om bearbetnings- och glödgningstekniker av kvartsglas

Denna forskning om bearbetnings- och glödgningstekniker för kvartsglas är inriktad på fiberoptisk produktion och relaterade projekt. Det strävar efter att förbättra stabiliteten hos kvartsprodukter vid höga och normala temperaturer genom övning, vilket säkerställer smidig applicering av produkter i olika scenarier.

Kvartsglas klassificeras efter bearbetningsmetoder, användningsområden och utseende, såsom smält transparent kvartsglas, smält kvartsglas, gasraffinerat transparent kvartsglas, syntetiskt kvartsglas, ogenomskinligt kvartsglas, optiskt kvartsglas, kvartsglas för halvledare och kvarts glas för elektriska ljuskällor. Dessa är indelade i två huvudkategorier: transparent och ogenomskinlig. Baserat på renhet är den indelad i tre kategorier: hög renhet, vanlig och dopad.

Avglasningen av högtemperaturbeständigt kvartsglas är en inneboende defekt. Kvartsglas har högre intern energi än kristallint kvarts, vilket gör det till ett termodynamiskt instabilt metastabilt tillstånd. SiO2-molekyler accelererar vibrationer och bildar kristaller efter långvarig omarrangering och orientering. Kristallisering sker huvudsakligen på ytan, följt av inre defekter, eftersom dessa områden är benägna att förorenas, vilket leder till lokal ackumulering av föroreningsjoner. Speciellt minskar alkalijoner (såsom K, Na, Li, Ca, Mg) viskositeten när de kommer in i nätverket, vilket påskyndar avglasningen.

Detta dokument diskuterar bearbetade kvartskomponenter, som endast täcker genomskinligt syntetiskt kondensatorkvartsglas.

Vid bearbetning av kvartsglas används vanligtvis en väte-syreflamma, med en bearbetningstemperatur på cirka 1500-1600°C.

Glas är en dålig värmeledare. När en bit kvartsglas (utan tryck) värms eller kyls, värms det yttre lagret av kvartsglaset direkt eller börjar svalna först, och det inre glaset värms upp (värmeledning överför extern värme till insidan) eller kyls efteråt. . Detta skapar en temperaturskillnad mellan ytan och det inre av kvartsglaset. Vid uppvärmning är yttemperaturen på det direkt uppvärmda kvartsglaset hög, och den inre temperaturen hos kvartsglaset som tar emot värme är låg, vilket gör att det yttre lagret av det uppvärmda kvartsglaset expanderar. Det inre med lägre temperatur försöker behålla sitt ursprungliga tillstånd, vilket hindrar expansionen av det yttre lagret. Sålunda sker expansion och anti-expansion i kvartsglaset, vilket skapar två typer av spänningar på grund av interaktion: tryckspänning och dragspänning. Kraften som försöker förhindra att det yttre lagret av kvartsglas expanderar inåt och verkar på det yttre lagret kallas tryckspänning, medan kraften som utövas av det yttre lagret av kvartsglas som expanderar inåt är känd som dragspänning.

Eftersom kvartsglasets tryckhållfasthet är mycket större än dess draghållfasthet kan de inre och yttre lagren av kvartsglas motstå betydande temperaturskillnader under uppvärmning. Vid bearbetning med en lampa kan kvartsglas värmas direkt i en väte-syre låga utan att gå sönder. Omvänt, när kvartsglas uppvärmt till 500°C eller högre placeras i kylvatten spricker det lätt.

Spänningsfördelningen som genereras av lampbearbetning är ungefär som följer:

1. Stress vid rotationssmältning Operatörens händer roterar och smälter glasröret i brännarlågan. Eftersom glasröret värms upp genom rotation snarare än i den smälta delen, uppträder spänningen som cirkulära linjer.
2. Stress vid sidosmältning För öppningar, sidoanslutningar och tvärgående innerkärnsvetsning av kvartsrör, roterar inte kvartsröret, vilket resulterar i en annan spänningsfördelning än ovan. Vid denna tidpunkt fördelas spänningen runt den smälta delen.
3. Stress i ringleder Ringfogar avser svetsningen av den inre kärnan.
4. Stress i förseglade ändar av jackaprodukter Produkter för instrumentjackor i kvarts finns i olika former men är alla förseglade. Till exempel, i ett vanligt rakt kondensorrör, när båda ändarna är förseglade, finns spänningar inte bara på den yttre manteln utan även på den inre kärnan, vilket leder till betydande spänningar.

Storleken på spänningen varierar med temperaturskillnaden och tjockleken på kvartsglaset. Ju större temperaturskillnad och ju tjockare glas, desto större spänning. Därför är stressavlägsnande särskilt viktigt.

Termisk stress i kvartsglasprodukter kan delas in i tillfällig stress och permanent stress.

Tillfällig spänning uppstår när temperaturförändringen av glaset är under töjningspunktstemperaturen, vilket resulterar i ojämn totalvärme på grund av dålig värmeledningsförmåga, vilket skapar viss värmespänning. Denna termiska spänning finns på grund av temperaturskillnaden och är känd som tillfällig spänning.

Det bör noteras att eftersom de kvartskärnstavar som vanligtvis bearbetas innehåller olika kemiska ämnen, är de benägna att få ojämn uppvärmning. Därför, efter skarvning, bör lågan användas för att jämnt värma stavkroppen, vilket gör den totala temperaturgradienten så jämn som möjligt, vilket avsevärt minskar den tillfälliga spänningen hos kvartskärnstaven.

När glaset svalnar från över töjningspunktstemperaturen försvinner inte den termiska spänningen som genereras av temperaturskillnaden helt efter kylning till rumstemperatur, vilket lämnar en viss spänning i glaset. Storleken på permanent spänning beror på kylningshastigheten över töjningspunktstemperaturen, kvartsglasets viskositet, värmeutvidgningskoefficienten och produktens tjocklek.

Som nämnts ovan påverkar den permanenta spänningen som genereras efter bearbetning av kvartsstaven efterföljande bearbetning och produktion. Därför kan permanent spänning endast elimineras genom glödgning.

I allmänhet glödgas glasprodukter efter bearbetning. Glödgning hänvisar till en värmebehandlingsprocess mellan övergångstemperaturen och töjningspunktstemperaturen för att eliminera termisk stress som genereras under tillverkningsprocessen. Typiskt gäller att ju större utvidgningskoefficient glaset har, desto större diameter och ju mer komplext produkttillståndet är, desto svårare blir spänningen. Som tidigare nämnts har den kontaktade kvartsstaven stor diameter och innehåller blandade kärnstavar, så strikt värmebehandling krävs för att avlägsna stress.

I verklig produktion är det omöjligt att helt eliminera spänningen i stavkroppen under glödgning av kvartsstaven. Restmängden är dock så liten att den inte är lätt att upptäcka ens under ett polariskop.

Teoretiskt betyder den högsta glödgningstemperaturen att 95% av spänningen kan elimineras efter 3 minuter; den lägsta glödgningstemperaturen resulterar i en 5% spänningsfrigöring efter 3 minuter. I tillverkningspraxis är den vanligaste temperaturen 50°C lägre än den högsta glödgningstemperaturen och 100°C högre än den lägsta glödgningstemperaturen. Det finns många sätt att glödga, men den huvudsakliga metoden är glödgning i en ugn, vilket är fokus för denna diskussion.

Enligt glödgningsprincipen som nämnts ovan är glödgningen av kvartsglas uppdelad i fyra steg: värmesteg, konstant temperatursteg, kylsteg och naturligt kylsteg.

1. Uppvärmningsstadium För kvartsglas är detta arbete baserat på glödgningskraven för optiska produkter. Hela uppvärmningsprocessen innebär långsam uppvärmning till 1100°C. Enligt erfarenhet är temperaturökningen 4,5/R²°C/min, där R är radien för kvartsglasprodukten.
2. Stadium konstant temperatur När kvartsstaven når den faktiska högsta glödgningstemperaturen, hålls ugnskroppen vid en konstant temperatur för att säkerställa enhetlig uppvärmning av produkten, förbereda den för nästa kylningssteg.
3. Kylningsstadiet För att eliminera eller producera mycket liten permanent spänning under kylningsprocessen av kvartsstaven, bör temperaturen långsamt sänkas för att förhindra en stor temperaturgradient. Nedkylningshastigheterna är följande:
   • 1100°C till 950°C: 15°C/timme
   • 950°C till 750°C: 30°C/timme
   • 750°C till 450°C: 60°C/timme
4. Naturligt kylsteg Under 450°C stängs strömmen till glödgningsugnen av och miljön bibehålls utan att isoleringsmiljön ändras tills den naturligt svalnar till under 100°C. Under 100°C öppnas isoleringsmiljön och den svalnar till rumstemperatur.

Tiden och temperaturen som ingår i stegen ovan är baserade på teoretiska resultat och resultat från produktionspraktik. Figur 1 visar misslyckade experimentprodukter på grund av ojämn uppvärmning orsakad av för kort uppvärmning eller konstant temperaturtid.

I processen att producera och bearbeta kvartsglas finns det stress i produkterna i vilket skede som helst, vare sig det är tillfälligt eller permanent. Metoder som "flamma", "HF-syra" och "glödgningsugn" kan användas för att avlägsna tillfällig stress eller minska permanent stress. Att ta bort stress är avgörande för att förbättra den mekaniska stabiliteten och optiska enhetligheten hos kvartsprodukter.

På GlobalQT (Global Quartz Tube) är vi specialiserade på högkvalitativa produkter av kvartsglas med anpassningsbara lösningar för att möta dina specifika behov. För mer information, besök vår hemsida eller kontakta oss via e-post på contact@globalquartztube.com.