1. Toplinski stres tijekom hlađenja (primarni uzrok)
Taljeni kvarc stvara naprezanje u uvjetima neujednačene temperature. Na bilo kojoj temperaturi, atomska struktura taljenog kvarca doseže relativno "optimalnu" prostornu konfiguraciju. Kako se temperatura mijenja, atomski razmak se mijenja u skladu s tim - fenomen koji se obično naziva toplinskim širenjem. Kada se taljeni kvarc neravnomjerno zagrijava ili hladi, dolazi do neujednačenog širenja.
Toplinsko naprezanje obično nastaje kada se toplija područja pokušavaju proširiti, ali su ograničena okolnim hladnijim zonama. To stvara tlačno naprezanje koje obično ne uzrokuje oštećenja. Ako je temperatura dovoljno visoka da omekša staklo, naprezanje se može ublažiti. Međutim, ako je brzina hlađenja prebrza, viskoznost se brzo povećava i unutarnja atomska struktura ne može se na vrijeme prilagoditi smanjenju temperature. To rezultira vlačnim naprezanjem, koje će puno vjerojatnije uzrokovati lomove ili otkaz.
Takvo naprezanje se pojačava s padom temperature, dosežući visoke razine na kraju procesa hlađenja. Temperatura na kojoj kvarcno staklo postiže viskoznost iznad 10^4,6 poisea naziva setočka naprezanjaU ovom trenutku, viskoznost materijala je toliko visoka da se unutarnji napon efektivno zaključava i više se ne može raspršiti.
2. Naprezanje od faznog prijelaza i strukturne relaksacije
Metastabilna strukturna relaksacija:
U rastaljenom stanju, taljeni kvarc pokazuje izrazito neuređen atomski raspored. Nakon hlađenja, atomi se teže relaksirati prema stabilnijoj konfiguraciji. Međutim, visoka viskoznost staklastog stanja ometa kretanje atoma, što rezultira metastabilnom unutarnjom strukturom i generiranjem relaksacijskog naprezanja. Tijekom vremena, ovo naprezanje može se polako otpustiti, fenomen poznat kaostarenje stakla.
Tendencija kristalizacije:
Ako se taljeni kvarc drži unutar određenih temperaturnih raspona (npr. blizu temperature kristalizacije) dulje vrijeme, može doći do mikrokristalizacije - na primjer, taloženja mikrokristala kristobalita. Volumetrijska neusklađenost između kristalne i amorfne faze stvaranaprezanje faznog prijelaza.
3. Mehaničko opterećenje i vanjska sila
1. Stres od obrade:
Mehaničke sile primijenjene tijekom rezanja, brušenja ili poliranja mogu uzrokovati izobličenje površinske rešetke i naprezanje pri obradi. Na primjer, tijekom rezanja brusnim kotačem, lokalizirana toplina i mehanički tlak na rubu uzrokuju koncentraciju naprezanja. Nepravilne tehnike bušenja ili utora mogu dovesti do koncentracije naprezanja na zarezima, što služi kao početne točke pukotina.
2. Naprezanje uzrokovano uvjetima rada:
Kada se koristi kao konstrukcijski materijal, taljeni kvarc može biti izložen makro naprezanju zbog mehaničkih opterećenja poput tlaka ili savijanja. Na primjer, kvarcno stakleno posuđe može razviti naprezanje savijanja kada drži teški sadržaj.
4. Toplinski šok i brze promjene temperature
1. Trenutačno naprezanje od brzog zagrijavanja/hlađenja:
Iako taljeni kvarc ima vrlo nizak koeficijent toplinskog širenja (~0,5 × 10⁻⁶/°C), brze promjene temperature (npr. zagrijavanje sa sobne temperature na visoke temperature ili uranjanje u ledenu vodu) i dalje mogu uzrokovati strme lokalne temperaturne gradijente. Ti gradijenti rezultiraju naglim toplinskim širenjem ili skupljanjem, što stvara trenutno toplinsko naprezanje. Uobičajen primjer je lomljenje laboratorijskog kvarca zbog toplinskog šoka.
2. Ciklični toplinski umor:
Kada je izložen dugotrajnim, ponovljenim temperaturnim fluktuacijama - kao što je to slučaj s oblogama peći ili prozorima za gledanje na visokim temperaturama - taljeni kvarc podliježe cikličkom širenju i skupljanja. To dovodi do nakupljanja zamornog naprezanja, ubrzava starenje i rizika od pucanja.
5. Kemijski inducirani stres
1. Korozijski i otapalni napon:
Kada taljeni kvarc dođe u kontakt s jakim alkalnim otopinama (npr. NaOH) ili kiselim plinovima visoke temperature (npr. HF), dolazi do površinske korozije i otapanja. To narušava strukturnu ujednačenost i izaziva kemijsko naprezanje. Na primjer, alkalna korozija može dovesti do promjena volumena površine ili stvaranja mikropukotina.
2. Stres uzrokovan KVB-om:
Postupci kemijskog taloženja iz parne faze (CVD) koji nanose premaze (npr. SiC) na taljeni kvarc mogu uvesti međufazno naprezanje zbog razlika u koeficijentima toplinskog širenja ili modulima elastičnosti između dva materijala. Tijekom hlađenja, ovo naprezanje može uzrokovati delaminaciju ili pucanje premaza ili podloge.
6. Unutarnji nedostaci i nečistoće
1. Mjehurići i inkluzije:
Zaostali mjehurići plina ili nečistoće (npr. metalni ioni ili nerastopljene čestice) uvedeni tijekom taljenja mogu poslužiti kao koncentratori naprezanja. Razlike u toplinskom širenju ili elastičnosti između tih inkluzija i staklene matrice stvaraju lokalizirano unutarnje naprezanje. Pukotine često nastaju na rubovima tih nesavršenosti.
2. Mikropukotine i strukturni nedostaci:
Nečistoće ili nedostaci u sirovini ili iz procesa taljenja mogu rezultirati unutarnjim mikropukotinama. Pod utjecajem mehaničkih opterećenja ili termičkih ciklusa, koncentracija naprezanja na vrhovima pukotina može potaknuti širenje pukotina, smanjujući integritet materijala.
Vrijeme objave: 04.07.2025.