Kuvars Camlarının İşlenme ve Tavlama Teknikleri Üzerine Araştırmalar

Kuvars camın işlenmesi ve tavlanması teknikleri üzerine yapılan bu araştırma, fiber optik üretimi ve ilgili projelere yöneliktir. Kuvars ürünlerinin yüksek ve normal sıcaklıklarda stabilitesini uygulama yoluyla iyileştirmeyi ve ürünlerin çeşitli senaryolarda sorunsuz bir şekilde uygulanmasını sağlamayı amaçlamaktadır.

Kuvars camı, erimiş şeffaf kuvars camı, erimiş kuvars camı, gazla rafine edilmiş şeffaf kuvars camı, sentetik kuvars camı, opak kuvars camı, optik kuvars camı, yarı iletkenler için kuvars camı ve kuvars gibi işleme yöntemleri, kullanımları ve görünümüne göre sınıflandırılır. elektrikli ışık kaynakları için cam. Bunlar iki ana kategoriye ayrılır: şeffaf ve opak. Saflığa göre üç kategoriye ayrılır: yüksek saflık, sıradan ve katkılı.

Yüksek sıcaklığa dayanıklı kuvars camın devitrifikasyonu doğal bir kusurdur. Kuvars camı kristal kuvarstan daha yüksek iç enerjiye sahiptir, bu da onu termodinamik olarak kararsız bir metastabil durum haline getirir. SiO2 molekülleri titreşimi hızlandırır ve uzun süreli yeniden düzenlenme ve yönelim sonrasında kristaller oluşturur. Kristalleşme esas olarak yüzeyde meydana gelir ve bunu iç kusurlar takip eder; çünkü bu alanlar kirlenmeye eğilimlidir ve yabancı madde iyonlarının lokal olarak birikmesine yol açar. Özellikle alkali iyonlar (K, Na, Li, Ca, Mg gibi) ağa girerken viskoziteyi azaltarak devitrifikasyonu hızlandırır.

Bu makale, yalnızca şeffaf sentetik kapasitör kuvars camını kapsayan işlenmiş kuvars bileşenlerini tartışmaktadır.

Kuvars camı işlerken tipik olarak yaklaşık 1500-1600°C'lik bir işlem sıcaklığına sahip bir hidrojen-oksijen alevi kullanılır.

Cam zayıf bir ısı iletkenidir. Bir kuvars cam parçası (basınçsız) ısıtıldığında veya soğutulduğunda, kuvars camının dış tabakası doğrudan ısıtılır veya önce soğumaya başlar ve daha sonra iç cam ısıtılır (ısı iletimi dış ısıyı içeriye aktarır) veya soğutulur . Bu, kuvars camın yüzeyi ile iç kısmı arasında bir sıcaklık farkı yaratır. Isıtıldığında, doğrudan ısıtılan kuvars camın yüzey sıcaklığı yüksektir ve ısı alan kuvars camın iç sıcaklığı düşüktür, bu da ısıtılan kuvars camın dış katmanının genişlemesine neden olur. Düşük sıcaklıktaki iç kısım orijinal durumunu korumaya çalışarak dış katmanın genişlemesini engeller. Böylece, kuvars cam içinde genleşme ve genleşme önleme meydana gelir ve etkileşim nedeniyle iki tür gerilim oluşur: basınç gerilimi ve çekme gerilimi. Kuvars camın dış tabakasının içeriye doğru genleşerek dış tabakaya etki etmesini engellemeye çalışan kuvvete basınç gerilimi, içe doğru genişleyen kuvars camın dış tabakasının uyguladığı kuvvete ise çekme gerilimi denir.

Kuvars camın basınç dayanımı çekme dayanımından çok daha büyük olduğundan, kuvars camın iç ve dış katmanları ısıtma sırasında önemli sıcaklık farklılıklarına dayanabilir. Bir lambayla işlenirken kuvars camı, hidrojen-oksijen alevinde kırılmadan doğrudan ısıtılabilir. Tersine, 500°C veya daha yüksek sıcaklığa ısıtılan kuvars camı soğutma suyuna konulduğunda kolaylıkla çatlar.

Lamba işlemenin oluşturduğu gerilim dağılımı kabaca aşağıdaki gibidir:

1. Rotasyonel Erimede Stres Operatörün elleri dönerek cam tüpü meşale alevinde eritir. Cam tüp erimiş parça yerine rotasyonla ısıtıldığından, gerilim dairesel çizgiler halinde ortaya çıkar.
2. Yan Erimede Stres Kuvars tüplerin açıklıkları, yan bağlantıları ve enine iç çekirdek kaynağı için kuvars tüp dönmez, bu da yukarıda belirtilenden farklı bir gerilim dağılımına neden olur. Bu sırada gerilim erimiş parçanın etrafına dağıtılır.
3. Halka Bağlantılarındaki Gerilim Halka bağlantıları, iç çekirdeğin kaynağını ifade eder.
4. Ceket Ürünlerinin Yalıtılmış Uçlarındaki Gerilim Kuvars alet ceketi ürünleri çeşitli şekillerde gelir ancak hepsi mühürlenmiştir. Örneğin, standart bir düz kondansatör borusunda, her iki uç da kapatıldığında, stres yalnızca dış cekette değil aynı zamanda iç çekirdekte de mevcut olup, bu da önemli bir strese yol açar.

Gerilmenin büyüklüğü sıcaklık farkına ve kuvars camın kalınlığına göre değişir. Sıcaklık farkı ne kadar büyükse ve cam ne kadar kalınsa stres de o kadar büyük olur. Bu nedenle stresin giderilmesi özellikle önemlidir.

Kuvars cam ürünlerdeki termal stres, geçici stres ve kalıcı stres olarak ikiye ayrılabilir.

Camın sıcaklık değişimi gerilim noktası sıcaklığının altında olduğunda geçici gerilim meydana gelir, bu da zayıf ısı iletkenliği nedeniyle eşit olmayan toplam ısıyla sonuçlanır ve belirli bir termal gerilim yaratır. Bu termal stres sıcaklık farkından dolayı oluşur ve geçici stres olarak bilinir.

Genellikle işlenen kuvars çekirdek çubuklarının farklı kimyasal maddeler içermesi nedeniyle eşit olmayan ısınmaya eğilimli olduklarına dikkat edilmelidir. Bu nedenle, birleştirme işleminden sonra, çubuk gövdesini eşit şekilde ısıtmak için alev kullanılmalı, genel sıcaklık gradyanını mümkün olduğu kadar pürüzsüz hale getirmeli ve kuvars çekirdek çubuğunun geçici stresini önemli ölçüde azaltmalıdır.

Cam, gerinim noktası sıcaklığının üzerinde soğuduğunda, sıcaklık farkının oluşturduğu termal gerilim, oda sıcaklığına soğuduktan sonra tamamen kaybolmaz ve camda bir miktar gerilim bırakır. Kalıcı gerilimin büyüklüğü, gerinim noktası sıcaklığının üzerindeki soğuma hızına, kuvars camın viskozitesine, termal genleşme katsayısına ve ürünün kalınlığına bağlıdır.

Yukarıda belirtildiği gibi, kuvars çubuğun işlenmesinden sonra oluşan kalıcı gerilim, sonraki işleme ve üretimi etkiler. Bu nedenle kalıcı stres ancak tavlama yoluyla ortadan kaldırılabilir.

Genellikle cam ürünler işlendikten sonra tavlanır. Tavlama, üretim süreci sırasında oluşan termal stresi ortadan kaldırmak için geçiş sıcaklığı ile gerinim noktası sıcaklığı arasında yapılan bir ısıl işlem sürecini ifade eder. Tipik olarak, camın genleşme katsayısı ne kadar büyük olursa, çap da o kadar büyük olur ve ürün durumu ne kadar karmaşık olursa, stres de o kadar şiddetli olur. Daha önce de belirtildiği gibi, temas ettirilen kuvars çubuğun çapı büyüktür ve karışık çekirdek çubukları içerir, bu nedenle stresi gidermek için sıkı bir ısıl işlem gerekir.

Gerçek üretimde kuvars çubuğun tavlanması sırasında çubuk gövdesi içindeki gerilimi tamamen ortadan kaldırmak mümkün değildir. Ancak kalan miktar o kadar küçüktür ki polariskop altında bile kolaylıkla tespit edilemez.

Teorik olarak en yüksek tavlama sıcaklığı, stresin 95%'sinin 3 dakika sonra ortadan kaldırılabileceği anlamına gelir; en düşük tavlama sıcaklığı, 3 dakika sonra 5% geriliminin serbest bırakılmasıyla sonuçlanır. Üretim uygulamasında yaygın olarak kullanılan sıcaklık, en yüksek tavlama sıcaklığından 50°C daha düşük ve en düşük tavlama sıcaklığından 100°C daha yüksektir. Tavlamanın birçok yolu vardır ancak asıl yöntem bu tartışmanın odak noktası olan fırında tavlamadır.

Yukarıda bahsedilen tavlama prensibine göre kuvars camın tavlanması dört aşamaya ayrılır: ısıtma aşaması, sabit sıcaklık aşaması, soğutma aşaması ve doğal soğutma aşaması.

1. Isıtma Aşaması Kuvars cam için bu çalışma, optik ürünlerin tavlama gereksinimlerine dayanmaktadır. Isıtma işleminin tamamı 1100°C'ye kadar yavaş ısıtmayı içerir. Deneyimlere göre sıcaklık artışı 4,5/R²°C/dakikadır; burada R, kuvars cam ürününün yarıçapıdır.
2. Sabit Sıcaklık Aşaması Kuvars çubuk gerçek en yüksek tavlama sıcaklığına ulaştığında, ürünün eşit şekilde ısıtılmasını sağlamak ve bir sonraki soğutma adımına hazırlamak için fırın gövdesi sabit bir sıcaklıkta tutulur.
3. Soğutma Aşaması Kuvars çubuğun soğuma işlemi sırasında çok az kalıcı stresi ortadan kaldırmak veya oluşturmak için, büyük bir sıcaklık farkını önlemek amacıyla sıcaklık yavaş yavaş azaltılmalıdır. Soğutma oranları aşağıdaki gibidir:
   • 1100°C ila 950°C: 15°C/saat
   • 950°C ila 750°C: 30°C/saat
   • 750°C ila 450°C: 60°C/saat
4. Doğal Soğutma Aşaması 450°C'nin altında tavlama fırınına giden güç kapatılır ve yalıtım ortamı değiştirilmeden, doğal olarak 100°C'nin altına soğuyana kadar ortam korunur. 100°C'nin altında yalıtım ortamı açılır ve oda sıcaklığına kadar soğur.

Yukarıdaki adımlarda yer alan zaman ve sıcaklık teorik ve üretim uygulaması sonuçlarına dayanmaktadır. Şekil 1, çok kısa ısıtmanın veya sabit sıcaklık süresinin neden olduğu eşit olmayan ısıtma nedeniyle başarısız olan deneysel ürünleri göstermektedir.

Kuvars camın üretim ve işlenmesi sürecinde, ürünlerde ister geçici ister kalıcı olsun her aşamada stres mevcuttur. Geçici stresi gidermek veya kalıcı stresi azaltmak için “alev”, “HF asit” ve “tavlama fırını” gibi yöntemler kullanılabilir. Stresin ortadan kaldırılması, kuvars ürünlerinin mekanik stabilitesini ve optik tekdüzeliğini geliştirmek için çok önemlidir.

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 İnternet sitesi veya e-posta yoluyla bizimle iletişime geçin: iletişim@globalquartztube.com.