การวิจัยเกี่ยวกับเทคนิคการแปรรูปและการหลอมแก้วควอตซ์

งานวิจัยเกี่ยวกับเทคนิคการแปรรูปและการหลอมแก้วควอตซ์นี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการผลิตใยแก้วนำแสงและโครงการที่เกี่ยวข้อง มุ่งปรับปรุงความเสถียรของผลิตภัณฑ์ควอตซ์ที่อุณหภูมิสูงและปกติผ่านการฝึกฝน เพื่อให้มั่นใจว่าการใช้งานผลิตภัณฑ์ได้อย่างราบรื่นในสถานการณ์ต่างๆ

แก้วควอตซ์แบ่งตามวิธีการประมวลผล การใช้งาน และรูปลักษณ์ เช่น แก้วควอตซ์ใสหลอม แก้วควอตซ์หลอม แก้วควอตซ์โปร่งใสกลั่นด้วยแก๊ส แก้วควอตซ์สังเคราะห์ แก้วควอตซ์ทึบแสง แก้วควอตซ์แสง แก้วควอตซ์สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ และควอตซ์ กระจกสำหรับแหล่งกำเนิดแสงไฟฟ้า สิ่งเหล่านี้แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: โปร่งใสและทึบแสง ขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ แบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ ความบริสุทธิ์สูง สามัญ และเจือปน

การสลายตัวของแก้วควอทซ์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงถือเป็นข้อบกพร่องโดยธรรมชาติ แก้วควอตซ์มีพลังงานภายในสูงกว่าผลึกควอตซ์ ทำให้แก้วมีสถานะแพร่กระจายไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ โมเลกุล SiO2 เร่งการสั่นสะเทือนและก่อตัวเป็นผลึกหลังจากการจัดเรียงใหม่และการวางแนวในระยะยาว การตกผลึกส่วนใหญ่เกิดขึ้นบนพื้นผิว ตามมาด้วยข้อบกพร่องภายใน เนื่องจากพื้นที่เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเกิดการปนเปื้อน ซึ่งนำไปสู่การสะสมไอออนบริสุทธิ์เฉพาะที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งไอออนอัลคาไล (เช่น K, Na, Li, Ca, Mg) จะลดความหนืดเมื่อเข้าสู่เครือข่าย เร่งกระบวนการ devitrification

บทความนี้จะกล่าวถึงส่วนประกอบควอตซ์ที่ผ่านการประมวลผล ซึ่งครอบคลุมเฉพาะแก้วควอตซ์ตัวเก็บประจุสังเคราะห์แบบโปร่งใสเท่านั้น

เมื่อแปรรูปแก้วควอทซ์ โดยทั่วไปจะใช้เปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจน โดยมีอุณหภูมิในการประมวลผลประมาณ 1,500-1,600°C

แก้วเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี เมื่อชิ้นแก้วควอทซ์ (ไม่มีแรงดัน) ถูกให้ความร้อนหรือเย็นลง ชั้นนอกของแก้วควอทซ์จะถูกให้ความร้อนโดยตรงหรือเริ่มเย็นลงก่อน และแก้วภายในจะถูกให้ความร้อน (การนำความร้อนจะถ่ายเทความร้อนจากภายนอกไปด้านใน) หรือทำให้เย็นลงในภายหลัง . สิ่งนี้จะสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวและด้านในของแก้วควอตซ์ เมื่อถูกความร้อน อุณหภูมิพื้นผิวของแก้วควอตซ์ที่ให้ความร้อนโดยตรงจะสูงและอุณหภูมิภายในของแก้วควอตซ์ที่ได้รับความร้อนจะต่ำ ทำให้ชั้นนอกของแก้วควอตซ์ที่ได้รับความร้อนขยายตัว อุณหภูมิภายในที่ต่ำกว่าจะพยายามรักษาสภาพดั้งเดิมไว้ ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการขยายตัวของชั้นนอก ดังนั้นการขยายตัวและการต้านการขยายตัวจึงเกิดขึ้นภายในแก้วควอทซ์ ทำให้เกิดความเค้นสองประเภทเนื่องจากปฏิสัมพันธ์: ความเค้นอัดและความเค้นดึง แรงที่พยายามป้องกันไม่ให้ชั้นนอกของแก้วควอทซ์ขยายเข้าด้านในและกระทำต่อชั้นนอกเรียกว่าแรงกดอัด ในขณะที่แรงที่กระทำโดยชั้นนอกของแก้วควอทซ์ที่ขยายเข้าด้านในเรียกว่าแรงเค้นแรงดึง

เนื่องจากกำลังอัดของแก้วควอทซ์มีมากกว่าความต้านทานแรงดึงมาก ชั้นในและชั้นนอกของแก้วควอทซ์จึงสามารถทนต่ออุณหภูมิที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างการให้ความร้อน เมื่อแปรรูปด้วยหลอดไฟ แก้วควอทซ์สามารถให้ความร้อนได้โดยตรงในเปลวไฟไฮโดรเจน - ออกซิเจนโดยไม่ทำให้แตก ในทางกลับกัน เมื่อวางแก้วควอตซ์ที่ให้ความร้อนถึง 500°C หรือสูงกว่าในน้ำหล่อเย็น กระจกจะแตกร้าวได้ง่าย

การกระจายความเค้นที่เกิดจากการประมวลผลหลอดไฟมีดังนี้:

1. ความเครียดในการหลอมแบบหมุน มือของผู้ปฏิบัติงานหมุนและละลายหลอดแก้วในเปลวไฟคบเพลิง เนื่องจากหลอดแก้วได้รับความร้อนจากการหมุนแทนที่จะได้รับความร้อนจากชิ้นส่วนที่หลอมละลาย ความเครียดจึงปรากฏเป็นเส้นวงกลม
2. ความเครียดในการหลอมละลายด้านข้าง สำหรับช่องเปิด การเชื่อมต่อด้านข้าง และการเชื่อมแกนในตามขวางของท่อควอทซ์ ท่อควอทซ์จะไม่หมุน ส่งผลให้มีการกระจายความเค้นแตกต่างจากที่กล่าวไว้ข้างต้น ในเวลานี้ ความเครียดจะกระจายไปรอบๆ ส่วนที่หลอมละลาย
3. ความเครียดในข้อต่อแหวน ข้อต่อแหวนหมายถึงการเชื่อมของแกนใน
4. ความเครียดในปลายปิดผนึกของผลิตภัณฑ์แจ็คเก็ต ผลิตภัณฑ์แจ็คเก็ตเครื่องดนตรีควอตซ์มีหลายรูปแบบแต่ทั้งหมดถูกปิดผนึกไว้ ตัวอย่างเช่น ในท่อคอนเดนเซอร์แบบตรงมาตรฐาน เมื่อปลายทั้งสองข้างถูกปิดผนึก ความเค้นจะเกิดขึ้นไม่เพียงแต่ที่แจ็คเก็ตด้านนอกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแกนในด้วย ซึ่งนำไปสู่ความเครียดที่สำคัญ

ขนาดของความเค้นจะแตกต่างกันไปตามความแตกต่างของอุณหภูมิและความหนาของแก้วควอตซ์ ยิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิและกระจกหนาขึ้นเท่าใด ความเครียดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นการกำจัดความเครียดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ความเครียดจากความร้อนในผลิตภัณฑ์แก้วควอทซ์สามารถแบ่งออกเป็นความเครียดชั่วคราวและความเครียดถาวร

ความเค้นชั่วคราวเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงของแก้วต่ำกว่าอุณหภูมิจุดความเครียด ส่งผลให้ความร้อนรวมไม่สม่ำเสมอเนื่องจากการนำความร้อนไม่ดี ทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน ความเครียดจากความร้อนนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ และเรียกว่าความเครียดชั่วคราว

ควรสังเกตว่าเนื่องจากแท่งแกนควอตซ์ที่มักแปรรูปมีสารเคมีต่างกัน จึงมีแนวโน้มที่จะได้รับความร้อนไม่สม่ำเสมอ ดังนั้น หลังจากการประกบแล้ว ควรใช้เปลวไฟเพื่อให้ความร้อนแก่ตัวก้านให้เท่ากัน ทำให้การไล่ระดับอุณหภูมิโดยรวมราบรื่นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งช่วยลดความเครียดชั่วคราวของแกนแกนควอตซ์ได้อย่างมาก

เมื่อแก้วเย็นลงจากอุณหภูมิจุดความเครียด ความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิจะไม่หายไปอย่างสมบูรณ์หลังจากการทำความเย็นจนถึงอุณหภูมิห้อง ทำให้เกิดความเครียดในแก้ว ขนาดของความเค้นถาวรขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัวที่สูงกว่าอุณหภูมิจุดความเครียด ความหนืดของแก้วควอทซ์ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และความหนาของผลิตภัณฑ์

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ความเค้นถาวรที่เกิดขึ้นหลังการประมวลผลแท่งควอตซ์จะส่งผลต่อการประมวลผลและการผลิตในภายหลัง ดังนั้นความเครียดถาวรสามารถกำจัดได้โดยการหลอมเท่านั้น

โดยทั่วไป ผลิตภัณฑ์แก้วจะถูกอบอ่อนหลังจากการแปรรูป การหลอมหมายถึงกระบวนการบำบัดความร้อนระหว่างอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านและอุณหภูมิจุดความเครียดเพื่อขจัดความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการผลิต โดยทั่วไป ยิ่งค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของกระจกยิ่งมากขึ้น เส้นผ่านศูนย์กลางก็จะยิ่งมากขึ้น และสถานะผลิตภัณฑ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น ความเครียดก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้นเท่านั้น ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น แท่งควอทซ์ที่สัมผัสกันมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่และมีแท่งแกนผสม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการบำบัดความร้อนอย่างเข้มงวดเพื่อขจัดความเครียด

ในการผลิตจริง ไม่สามารถขจัดความเครียดภายในตัวแท่งในระหว่างการหลอมแท่งควอตซ์ได้อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ปริมาณคงเหลือมีน้อยมากจนไม่สามารถตรวจพบได้ง่ายแม้จะอยู่ภายใต้โพลาริสโคปก็ตาม

ตามทฤษฎีแล้ว อุณหภูมิการอบอ่อนสูงสุดหมายความว่าสามารถขจัดความเครียด 95% ได้หลังจากผ่านไป 3 นาที; อุณหภูมิการอบอ่อนต่ำสุดส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยความเค้น 5% หลังจากผ่านไป 3 นาที ในทางปฏิบัติด้านการผลิต อุณหภูมิที่ใช้โดยทั่วไปคือ 50°C ต่ำกว่าอุณหภูมิการอบอ่อนสูงสุด และ 100°C สูงกว่าอุณหภูมิการอบอ่อนต่ำสุด มีหลายวิธีในการหลอม แต่วิธีการหลักคือการหลอมในเตาเผาซึ่งเป็นจุดเน้นของการสนทนานี้

ตามหลักการหลอมที่กล่าวข้างต้น การหลอมแก้วควอตซ์แบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอน: ขั้นตอนการทำความร้อน ขั้นตอนการอุณหภูมิคงที่ ขั้นตอนการทำความเย็น และขั้นตอนการทำความเย็นตามธรรมชาติ

1. ขั้นตอนการทำความร้อน สำหรับแก้วควอทซ์ งานนี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการอบอ่อนของผลิตภัณฑ์ออปติก กระบวนการทำความร้อนทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการทำความร้อนช้าๆ ไปจนถึง 1100°C ตามประสบการณ์ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นคือ 4.5/R²°C/นาที โดยที่ R คือรัศมีของผลิตภัณฑ์แก้วควอตซ์
2. ระดับอุณหภูมิคงที่ เมื่อแท่งควอทซ์ถึงอุณหภูมิการอบอ่อนสูงสุดตามจริง ตัวเตาจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิคงที่เพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ได้รับความร้อนสม่ำเสมอ เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับขั้นตอนการทำความเย็นครั้งต่อไป
3. ขั้นตอนการทำความเย็น เพื่อกำจัดหรือสร้างความเครียดถาวรเพียงเล็กน้อยในระหว่างกระบวนการทำความเย็นของแท่งควอตซ์ ควรลดอุณหภูมิลงอย่างช้าๆ เพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างมาก อัตราการทำความเย็นมีดังนี้:
   • 1100°C ถึง 950°C: 15°C/ชั่วโมง
   • 950°C ถึง 750°C: 30°C/ชั่วโมง
   • 750°C ถึง 450°C: 60°C/ชั่วโมง
4. ขั้นตอนการทำความเย็นตามธรรมชาติ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 450°C ไฟที่ส่งไปยังเตาหลอมจะถูกปิด และสภาพแวดล้อมจะยังคงอยู่โดยไม่ต้องเปลี่ยนสภาพแวดล้อมของฉนวนจนกว่าจะเย็นลงตามธรรมชาติจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่า 100°C อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C สภาพแวดล้อมของฉนวนจะเปิดออก และจะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง

เวลาและอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนข้างต้นจะขึ้นอยู่กับผลทางทฤษฎีและการปฏิบัติด้านการผลิต รูปที่ 1 แสดงผลิตภัณฑ์ทดลองที่ล้มเหลวเนื่องจากการให้ความร้อนไม่สม่ำเสมอซึ่งเกิดจากการให้ความร้อนสั้นเกินไปหรือเวลาอุณหภูมิคงที่

ในกระบวนการผลิตและแปรรูปแก้วควอทซ์ เกิดความเครียดในผลิตภัณฑ์ในทุกขั้นตอน ไม่ว่าจะชั่วคราวหรือถาวร วิธีการต่างๆ เช่น "เปลวไฟ" "กรด HF" และ "เตาหลอม" สามารถใช้เพื่อขจัดความเครียดชั่วคราวหรือลดความเครียดถาวรได้ การขจัดความเครียดถือเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงเสถียรภาพทางกลและความสม่ำเสมอทางแสงของผลิตภัณฑ์ควอตซ์

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 เว็บไซต์ หรือติดต่อเราทางอีเมลได้ที่ contact@globalquartztube.com.