Narazili jste někdy na takovou situaci: zdánlivě bezvadný kus křemenného skla, který nebyl ani upuštěn, ani nebyl vystaven žádným zjevným vnějším silám, se najedou samovolně praskl? Skrytou příčinou tohoto jevu je neviditelná a nematematická síla – vnitřní napětí.
Co je to „vnitřní napětí“ křemenného skla?
Vnitřní napětí odkazuje na elastickou deformační energii vznikající, když atomy nebo molekuly uvnitř křemenného skla jsou v nestabilním stavu. Abychom toto jev pochopili, je třeba nejprve pochopit povahu křemenného skla. Skládá se ze síličitanu (SiO₂), avšak na rozdíl od pravidelně uspořádaných přírodních křemenných krystalů je jeho atomová síť neuspořádaná – poté, co atomy křemíku a kyslíku tvoří tetraedry, způsob jejich vzájemného propojení postrádá dlouhodobou periodicitu. Tato neuspořádaná struktura zajišťuje vysokou průhlednost, nízký koeficient teplotní roztažnosti a mimořádnou chemickou stabilitu, ale zároveň také zvyšuje pravděpodobnost, že se napětí uvnitř skla bude skrývat. Když se mikroskopické částice uvnitř navzájem táhnou a tlačí, vytvoří se druh vyvážené, avšak napjaté vnitřní síly. Tato síla je obvykle neviditelná, avšak při uvolnění za určitých podmínek může způsobit okamžité rozbití skla. Tato napětí způsobují drobné a nerovnoměrné deformace uvnitř materiálu, které následně ovlivňují pevnost, optickou rovnoměrnost a tepelnou stabilitu celého kusu skla.
Odkud pochází stres? Pět hlavních zdrojů
1. Teplotní napětí
Toto je nejčastější typ. Při zahřívání nebo ochlazování křemenného skla vzniká teplotní rozdíl mezi povrchem a vnitřkem, což vede k různým rychlostem roztažení nebo smrštění. Například po rychlém ochlazení po zpracování za vysoké teploty se povrch ztvrdne a rychle smrští, zatímco vnitřek zůstává ve stavu tepelného roztažení při vysoké teplotě – tím vzniká vnitřní tlakové napětí a na povrchu se vytvoří tahové napětí. Tento jev se projevuje různými způsoby u různých výrobků: tenký list křemenného skla je díky malé tloušťce a velké ploše zvláště citlivý na tepelné napětí a již nepatrný teplotní rozdíl může způsobit optickou deformaci; tlustý křemenný skleněný tyč je náchylný k reziduálnímu tepelnému napětí v radiálním směru a rozdíl napětí mezi středem a povrchovou vrstvou lze odstranit pouze úplným žíháním; u křemenných skleněných trubek je významné tepelné napětí způsobené teplotním rozdílem mezi vnitřním a vnějším povrchem stěny trubky a nerovnoměrné axiální napětí podél délky trubky může způsobit prohnutí nebo podélné praskliny.
2. Mechanické napětí
Zpracovatelské napětí: Během mechanického zpracování, jako je řezání, broušení a leštění, způsobuje tlak nástrojů mírnou deformaci krystalové mřížky povrchu skla, což vede k lokální plastické deformaci. Například při nerovnoměrném chlazení kvartcových skleněných desek jsou na okrajích náchylné ke vzniku mikrotrhlin.
Montážní napětí: Například při upevňování šrouby může nadměrná přítlaková síla nebo přítomnost ostrých hran, rozdílů v tloušťce či jiných konstrukčních prvků vést ke koncentraci napětí a vytvoření slabého místa.
3. Napětí z fázové transformace
Pokud je křemenné sklo vystaveno prostředí s vysokou teplotou nad 1100 °C po dlouhou dobu, může dojít ke krystalizaci v některých oblastech. Kvůli různým koeficientům tepelné roztažnosti mezi krystaly a sklem se při opakovaném zahřívání a ochlazování tato rozdílnost postupně hromadí ve formě napětí, které může dokonce vést k odšlapování povrchu nebo prasklinám. Bílé křemenné sklo (včetně bílých křemenných tyčí a bílých křemenných desek) má bílou barvu kvůli přítomnosti velkého množství drobných bublinek nebo hranic zrn křemičitanu, které rozptylují světlo. Samo o sobě má dobré vlastnosti odrazu infračerveného záření, avšak přítomnost bublinek ho také činí citlivým materiálem pro koncentraci napětí. Proto by během jeho zpracování měly být použity mírnější metody zpracování. Naopak neprůhledné křemenné sklo má vyšší pórovitost a používá se převážně jako výkladka nebo izolační součásti v pecích pracujících za vysokých teplot, avšak zbytkové tepelné napětí se snadno hromadí na okrajích pórů, což může způsobit lokální odšlapování.
4. Chemické napětí
Když je povrch korodován kyselinami a zásadami nebo dochází k iontové výměně, změny objemu nejsou rovnoměrné, čímž vzniká napětí na povrchu. Například pokud nejsou bílé oxidy zůstávající na povrchu kvartcové skleněné trubice po tepelném zpracování důkladně odstraněny, mohou zbylé chemikálie způsobit skryté chemické napětí, které v budoucnu povede k prasklinám.
5. Vnitřní vady a nečistoty
Během tavení mohou zůstat zachycené bubliny, kovové ionty nebo mikropraskliny. Protože jejich fyzikální vlastnosti, jako je koeficient teplotní roztažnosti a modul pružnosti, se liší od vlastností okolního skla, mohou také sloužit jako místa koncentrace napětí a urychlovat šíření prasklin.
Jak eliminovat nebo ovládat vnitřní napětí?
Základní metodou pro odstraňování vnitřního napětí v průmyslu je žíhání: křemenné sklo se zahřeje na určitou teplotu (obvykle nad 1000 °C) a poté pomalu ochladí, aby atomy měly dostatek času uspořádat se do stavu s nízkým napětím. Žíhací pec je téměř nezbytným zařízením pro každou výrobní společnost křemenného skla. Pro různé tvary výrobků je nutné proces žíhání specificky upravit: čím větší je průměr křemenné tyče, tím delší je potřebná doba žíhání; u křemenných skleněných desek je vyžadováno zvláště rovnoměrné teplotní pole, aby nedošlo ke zkroucení.
Navíc lze napětí snížit i vhodným návrhem: vyhnout se rychlému ochlazování a zahřívání, zachovat rovnoměrné ochlazování během zpracování, při montáži nechat mezery pro roztažení a před použitím pečlivě zkontrolovat povrch na případnou korozi nebo poškrábání.
Závěr
Samovolné praskání křemenného skla má jasně vysvětlitelné vědecké pozadí – uvolnění vnitřního napětí za určitých podmínek. Od plochosti listů z křemenného skla po odolnost bílých křemenných tyčí vůči tepelnému šoku, od svislosti trubek z křemenného skla po schopnost neprůhledných křemenných desek odolávat odškrabávání – pochopení napětí je prvním krokem k pochopení stability materiálů.
EN
