Nghiên cứu kỹ thuật gia công và ủ thủy tinh thạch anh

Nghiên cứu này về kỹ thuật xử lý và ủ thủy tinh thạch anh nhằm mục đích sản xuất sợi quang và các dự án liên quan. Nó tìm cách cải thiện tính ổn định của các sản phẩm thạch anh ở nhiệt độ cao và bình thường thông qua thực hành, đảm bảo ứng dụng trơn tru của sản phẩm trong nhiều tình huống khác nhau.

Thủy tinh thạch anh được phân loại theo phương pháp xử lý, công dụng và hình thức, chẳng hạn như thủy tinh thạch anh trong suốt nung chảy, thủy tinh thạch anh nung chảy, thủy tinh thạch anh trong suốt được tinh chế bằng khí, thủy tinh thạch anh tổng hợp, thủy tinh thạch anh mờ, thủy tinh thạch anh quang học, thủy tinh thạch anh dùng cho chất bán dẫn và thạch anh. thủy tinh làm nguồn sáng điện. Chúng được chia thành hai loại chính: trong suốt và mờ đục. Dựa trên độ tinh khiết, nó được chia thành ba loại: độ tinh khiết cao, thông thường và pha tạp.

Sự biến đổi thủy tinh thạch anh chịu nhiệt độ cao là một khiếm khuyết cố hữu. Thủy tinh thạch anh có năng lượng bên trong cao hơn thạch anh kết tinh, khiến nó trở thành trạng thái siêu bền không ổn định về mặt nhiệt động. Các phân tử SiO2 tăng tốc độ rung và hình thành các tinh thể sau khi sắp xếp lại và định hướng trong thời gian dài. Sự kết tinh chủ yếu xảy ra trên bề mặt, sau đó là các khuyết tật bên trong, vì những khu vực này dễ bị nhiễm bẩn, dẫn đến sự tích tụ cục bộ của các ion tạp chất. Đặc biệt các ion kiềm (như K, Na, Li, Ca, Mg) làm giảm độ nhớt khi đi vào mạng lưới, đẩy nhanh quá trình thủy tinh hóa.

Bài viết này thảo luận về các thành phần thạch anh đã qua xử lý, chỉ bao gồm thủy tinh thạch anh tụ điện tổng hợp trong suốt.

Khi xử lý thủy tinh thạch anh, người ta thường sử dụng ngọn lửa hydro-oxy với nhiệt độ xử lý khoảng 1500-1600°C.

Thủy tinh là chất dẫn nhiệt kém. Khi một mảnh thủy tinh thạch anh (không có áp suất) được làm nóng hoặc làm mát, lớp ngoài của thủy tinh thạch anh được làm nóng trực tiếp hoặc bắt đầu nguội trước, và kính bên trong được làm nóng (dẫn nhiệt truyền nhiệt bên ngoài vào bên trong) hoặc làm mát sau đó . Điều này tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và bên trong của thủy tinh thạch anh. Khi đun nóng, nhiệt độ bề mặt của thủy tinh thạch anh được làm nóng trực tiếp cao và nhiệt độ bên trong của thủy tinh thạch anh nhận nhiệt thấp, khiến lớp ngoài của thủy tinh thạch anh được nung nóng nở ra. Phần bên trong có nhiệt độ thấp hơn cố gắng duy trì trạng thái ban đầu, cản trở sự giãn nở của lớp bên ngoài. Như vậy, sự giãn nở và chống giãn nở xảy ra bên trong thủy tinh thạch anh, tạo ra hai loại ứng suất do tương tác: ứng suất nén và ứng suất kéo. Lực cố gắng ngăn lớp ngoài của thủy tinh thạch anh giãn nở vào trong và tác động lên lớp ngoài được gọi là ứng suất nén, trong khi lực tác dụng bởi lớp thủy tinh thạch anh bên ngoài giãn nở vào trong được gọi là ứng suất kéo.

Vì cường độ nén của thủy tinh thạch anh lớn hơn nhiều so với cường độ kéo của nó nên các lớp bên trong và bên ngoài của thủy tinh thạch anh có thể chịu được sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể trong quá trình gia nhiệt. Khi xử lý bằng đèn, thủy tinh thạch anh có thể được nung nóng trực tiếp trên ngọn lửa hydro-oxy mà không bị vỡ. Ngược lại, khi thủy tinh thạch anh được nung nóng đến 500°C hoặc cao hơn được đặt trong nước làm mát, nó sẽ dễ dàng bị nứt.

Sự phân bố ứng suất được tạo ra bởi quá trình xử lý đèn gần như sau:

1. Căng thẳng trong nóng chảy quay Tay của người điều khiển xoay và làm tan chảy ống thủy tinh trong ngọn lửa đuốc. Vì ống thủy tinh được làm nóng bằng cách quay chứ không phải ở phần nóng chảy nên ứng suất biểu hiện dưới dạng các đường tròn.
2. Căng thẳng khi tan chảy bên Đối với các lỗ hở, kết nối bên và hàn lõi ngang bên trong của ống thạch anh, ống thạch anh không quay, dẫn đến sự phân bố ứng suất khác với những gì đã đề cập ở trên. Lúc này, ứng suất được phân bổ xung quanh phần nóng chảy.
3. Căng thẳng trong khớp vòng Các khớp vòng đề cập đến việc hàn lõi bên trong.
4. Ứng suất ở đầu kín của sản phẩm áo khoác Các sản phẩm áo khoác dụng cụ thạch anh có nhiều dạng khác nhau nhưng đều được niêm phong. Ví dụ, trong một ống ngưng tụ thẳng tiêu chuẩn, khi cả hai đầu đều bị bịt kín, ứng suất không chỉ xuất hiện ở lớp vỏ ngoài mà còn ở lõi bên trong, dẫn đến ứng suất đáng kể.

Độ lớn của ứng suất thay đổi theo chênh lệch nhiệt độ và độ dày của thủy tinh thạch anh. Chênh lệch nhiệt độ càng lớn và kính càng dày thì ứng suất càng lớn. Vì vậy, việc loại bỏ căng thẳng là đặc biệt quan trọng.

Ứng suất nhiệt trong các sản phẩm thủy tinh thạch anh có thể được chia thành ứng suất tạm thời và ứng suất vĩnh viễn.

Ứng suất tạm thời xảy ra khi sự thay đổi nhiệt độ của kính thấp hơn nhiệt độ điểm biến dạng, dẫn đến tổng nhiệt không đều do tính dẫn nhiệt kém, tạo ra ứng suất nhiệt nhất định. Ứng suất nhiệt này tồn tại do chênh lệch nhiệt độ và được gọi là ứng suất tạm thời.

Cần lưu ý rằng vì các thanh lõi thạch anh thường được xử lý có chứa các chất hóa học khác nhau nên chúng dễ bị nóng không đều. Vì vậy, sau khi nối, nên dùng ngọn lửa để làm nóng đều thân thanh, làm cho gradient nhiệt độ tổng thể càng mịn càng tốt, giảm đáng kể ứng suất tạm thời của thanh lõi thạch anh.

Khi kính nguội đi từ trên nhiệt độ điểm biến dạng, ứng suất nhiệt tạo ra do chênh lệch nhiệt độ không biến mất hoàn toàn sau khi làm nguội đến nhiệt độ phòng, để lại một số ứng suất trong kính. Độ lớn của ứng suất vĩnh viễn phụ thuộc vào tốc độ làm nguội trên nhiệt độ điểm biến dạng, độ nhớt của thủy tinh thạch anh, hệ số giãn nở nhiệt và độ dày của sản phẩm.

Như đã đề cập ở trên, ứng suất vĩnh viễn được tạo ra sau khi xử lý thanh thạch anh sẽ ảnh hưởng đến quá trình xử lý và sản xuất tiếp theo. Vì vậy, ứng suất vĩnh viễn chỉ có thể được loại bỏ thông qua quá trình ủ.

Thông thường, các sản phẩm thủy tinh được ủ sau khi chế biến. Ủ đề cập đến quá trình xử lý nhiệt giữa nhiệt độ chuyển tiếp và nhiệt độ điểm biến dạng để loại bỏ ứng suất nhiệt được tạo ra trong quá trình sản xuất. Thông thường, hệ số giãn nở của kính càng lớn, đường kính càng lớn và trạng thái sản phẩm càng phức tạp thì ứng suất càng nghiêm trọng. Như đã đề cập trước đó, thanh thạch anh tiếp xúc có đường kính lớn và chứa các thanh lõi hỗn hợp, do đó cần phải xử lý nhiệt nghiêm ngặt để loại bỏ ứng suất.

Trong thực tế sản xuất, không thể loại bỏ hoàn toàn ứng suất trong thân thanh trong quá trình ủ thanh thạch anh. Tuy nhiên, lượng dư nhỏ đến mức không dễ phát hiện ngay cả dưới kính phân cực.

Về mặt lý thuyết, nhiệt độ ủ cao nhất có nghĩa là có thể loại bỏ 95% ứng suất sau 3 phút; nhiệt độ ủ thấp nhất dẫn đến giải phóng ứng suất 5% sau 3 phút. Trong thực tế sản xuất, nhiệt độ thường được sử dụng là thấp hơn nhiệt độ ủ cao nhất 50°C và cao hơn nhiệt độ ủ thấp nhất 100°C. Có nhiều cách để ủ, nhưng phương pháp chính là ủ trong lò, đây là trọng tâm của cuộc thảo luận này.

Theo nguyên lý ủ nêu trên, quá trình ủ thủy tinh thạch anh được chia thành 4 giai đoạn: giai đoạn gia nhiệt, giai đoạn nhiệt độ không đổi, giai đoạn làm mát và giai đoạn làm mát tự nhiên.

1. Giai đoạn sưởi ấm Đối với thủy tinh thạch anh, công việc này dựa trên yêu cầu ủ của sản phẩm quang học. Toàn bộ quá trình gia nhiệt bao gồm gia nhiệt chậm đến 1100°C. Theo kinh nghiệm, mức tăng nhiệt độ là 4,5/R2°C/phút, trong đó R là bán kính của sản phẩm thủy tinh thạch anh.
2. Giai đoạn nhiệt độ không đổi Khi thanh thạch anh đạt đến nhiệt độ ủ cao nhất thực tế, thân lò được giữ ở nhiệt độ không đổi để đảm bảo làm nóng đồng đều sản phẩm, chuẩn bị cho bước làm nguội tiếp theo.
3. Giai đoạn làm mát Để loại bỏ hoặc tạo ra rất ít ứng suất vĩnh viễn trong quá trình làm mát thanh thạch anh, nhiệt độ phải được giảm từ từ để tránh sự chênh lệch nhiệt độ lớn. Tốc độ làm mát như sau:
   • 1100°C đến 950°C: 15°C/giờ
   • 950°C đến 750°C: 30°C/giờ
   • 750°C đến 450°C: 60°C/giờ
4. Giai đoạn làm mát tự nhiên Dưới 450°C, nguồn điện của lò ủ sẽ bị tắt và môi trường được duy trì mà không làm thay đổi môi trường cách nhiệt cho đến khi nguội tự nhiên xuống dưới 100°C. Dưới 100°C, môi trường cách nhiệt được mở ra và nguội đến nhiệt độ phòng.

Thời gian và nhiệt độ tham gia vào các bước trên đều dựa trên kết quả lý thuyết và thực tế sản xuất. Hình 1 thể hiện các sản phẩm thử nghiệm không đạt do gia nhiệt không đều do gia nhiệt quá ngắn hoặc thời gian nhiệt độ không đổi.

Trong quá trình sản xuất và gia công thủy tinh thạch anh, ứng suất tồn tại trong sản phẩm ở bất kỳ giai đoạn nào, dù là tạm thời hay vĩnh viễn. Các phương pháp như “ngọn lửa”, “axit HF” và “lò ủ” có thể được sử dụng để loại bỏ ứng suất tạm thời hoặc giảm ứng suất vĩnh viễn. Loại bỏ ứng suất là rất quan trọng để cải thiện độ ổn định cơ học và tính đồng nhất quang học của các sản phẩm thạch anh.

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 trang mạng hoặc liên hệ với chúng tôi qua email tại contact@globalquartztube.com.