Ar kada nors susidūrėte su tokia situacija: atrodo beveik tobula kvarco stiklo detalė, kuri nebuvo išmesta ir nebuvo veikiama akivaizdžių išorinių jėgų, staiga pačiame sau įtrūšta? Šio reiškinio priežastis yra nematoma ir neapčiuopiama jėga – vidinė įtempis.
Kas yra „vidinė įtempis“ kvarco stikle?
Vidinė įtempis reiškia tampriąją deformacijos energiją, kuri susidaro, kai kvarco stiklo atomai ar molekulės yra nebalansuotoje būsenoje. Norint tai suprasti, pirmiausia reikia suprasti kvarco stiklo prigimtį. Jis sudarytas iš silicio dioksido (SiO₂), tačiau skiriasi nuo natūralioje gamtoje esančių reguliariai išdėstytų kvarco kristalų tuo, kad jo atominė tinklinė yra netvarkinga – po to, kai silicio ir deguonies atomai sudaro tetraedrus, jų sujungimo būdas neturi ilgalaikės periodiškumo. Ši netvarkinga struktūra suteikia labai didelę skaidrumą, mažą šiluminio plėtimosi koeficientą ir itin stiprią cheminę stabilumą, tačiau taip pat daro įtempius labiau paslėptus viduje. Kai mikroskopinės dalelės viduje traukia viena kitą ir stumia viena kitą, susidaro tam tikra subalansuota, bet įtempta vidinė jėga. Ši jėga paprastai yra nematoma, tačiau esant tam tikroms sąlygoms ji gali būti išlaisvinta ir staiga sukelti stiklo suskilimą. Šie įtempiai sukelia nedidelius ir netolygius deformavimus medžiagoje, kurie savo ruožtu veikia viso stiklo stiprumą, optinį vienodumą ir šiluminį stabilumą.
Iš kur kyla stresas? Penki pagrindiniai šaltiniai
1. Šiluminis stresas
Tai yra dažniausiai pasitaikanti rūšis. Kai kvarco stiklas šyla arba vėsta, jei tarp paviršiaus ir vidinės dalies yra temperatūros skirtumas, išsiplėtimo ar susitraukimo greičiai bus skirtingi. Pavyzdžiui, po aukštos temperatūros apdorojimo staigaus vėsinimo metu – paviršius užkietėja ir greitai susitraukia, tuo tarpu vidinė dalis išlieka aukštos temperatūros išsiplėtimo būsenoje – todėl susidaro vidinės suspaudimo įtempimų jėgos, o paviršiuje susidaro tempimo įtempimai. Šis reiškinys įvairiose gaminių formose pasireiškia skirtingai: plonas kvarco stiklo lakštas dėl mažo storio ir didelės plotos yra ypač jautrus šiluminiams įtempimams, todėl net nedidelis temperatūros skirtumas gali sukelti optinį iškreipimą; storesnis kvarco stiklo strypas linkęs kaupti likutinius šiluminius įtempimus spinduline kryptimi, o centrą ir paviršiaus sluoksnį veikiančių įtempimų skirtumas turi būti visiškai pašalintas atleidžiant įtempimus (kaitinant ir lėtai vėsinant); kvarco stiklo vamzdžiuose svarbus temperatūros skirtumo įtempimas tarp vidinio ir išorinio paviršiaus, o nevienodas ašinis įtempimas palei vamzdžio ilgį gali sukelti lenkimą arba išilginį įtrūkimą.
2. Mechaninis įtempimas
Apdorojimo įtempimas: Mechaninio apdorojimo metu, pvz., pjovimo, šlifavimo ir poliravimo, įrankių veikiamas stiklo paviršiaus kristalinė gardelė šiek tiek išsitempia, dėl ko atsiranda vietinė plastinė deformacija. Pavyzdžiui, kai kvarco stiklo lakštai apdorojami netolygiai vėsinant, kraštuose dažnai susidaro mikrotrūkinėjimai.
Surinkimo įtempimas: Pavyzdžiui, pritvirtinant varžtais, jei sukimo jėga per didelė arba konstrukcijoje yra aštrūs kampai, storio ir plonumo skirtumai ar kitos panašios savybės, įtempimas tikėtina, kad susikaups vienoje vietoje ir taps silpnąja vieta.
3. Fazės transformacijos įtempimas
Kai kvarco stiklas ilgą laiką veikiamas aukštos temperatūros aplinkos, viršijančios 1100 ℃, kai kurios jo vietos gali kristalizuotis. Dėl skirtingų šiluminio plėtimosi koeficientų tarp kristalų ir stiklo pakartotinis kaitinimas ir aušinimas palaipsniui sukaupta šią skirtumą į įtempimą, kuris net gali sukelti paviršiaus nulupimą ar įtrūkimus. Baltasis kvarco stiklas (įskaitant baltuosius kvarco strypus ir baltuosius kvarco plokštumus) atrodo baltas dėl didelio kiekio mažyčių oro burbuliukų ar kvarco grūdelių ribų, kurie išsklaido šviesą. Jis patys turi gerų infraraudonųjų spindulių atspindžio savybių, tačiau oro burbuliukai taip pat daro jį jautriu įtempimų koncentracijos medžiaga. Todėl jo apdorojimo metu reikėtų taikyti švelnesnius apdorojimo metodus. Priešingai, nepermatomas kvarco stiklas turi didesnį poringumą ir dažniausiai naudojamas kaip išklotinė ar izoliaciniai komponentai aukštos temperatūros krosnyse, tačiau likęs šiluminis įtempimas linkęs kaupiatисi porų kraštuose, sukeliant vietinį nulupimą.
4. Cheminis įtempimas
Kai paviršius koroduoja dėl rūgščių ir šarmų arba vyksta jonų apykaita, tūrio pokyčiai būna nevienodi, todėl paviršiuje susidaro įtempimas. Pavyzdžiui, jei po kvarco stiklo vamzdelio šiluminės apdorojimo paviršiuje likusios baltos oksidų nuosėdos nėra visiškai pašalintos, likusios cheminės medžiagos gali sukelti paslėptą cheminį įtempimą, kuris ateityje gali sukelti įtrūkimus.
5. Vidiniai defektai ir priemaišos
Lydymo metu gali išlikti likusios oro pūslelės, metalo jonai arba mikrotrūkiniai. Kadangi jų fizikinės savybės, pvz., šiluminio plėtimosi koeficientas ir tampriojo modulis, skiriasi nuo aplinkinio stiklo, jie taip pat gali būti įtempimo koncentracijos pradžios taškai, greitinantys įtrūkimų plitimą.
Kaip pašalinti arba kontroliuoti vidinį įtempimą?
Pagrindinis pramonėje naudojamas vidinio įtempimo šalinimo metodas yra kaitinimas: kvarco stiklas įkaitinamas iki tam tikros temperatūros (paprastai virš 1000 ℃), po to lėtai vėsinamas, kad atomams būtų suteikta pakankamai laiko pergrupuotis į mažo įtempimo būseną. Kaitinimo krosnis beveik visada yra būtina įranga kiekvienai kvarco stiklo gamybos įmonei. Skirtingų formų gaminiams kaitinimo procesas turi būti specialiai pritaikytas: kuo storesnis kvarco stiklo strypas, tuo ilgesnis reikalingas kaitinimo laikas; kvarco stiklo lakštams reikalingas ypatingai vienodas temperatūros laukas, kad būtų išvengta išsivyniojimo.
Be to, tinkamas projektavimas taip pat gali sumažinti įtempimą: reikia vengti staigaus aušinimo ir kaitinimo, apdorojant palaikyti vienodą aušinimą, montuojant palikti plėtimosi tarpus ir prieš naudojimą atidžiai patikrinti paviršių dėl bet kokio korozijos ar brūkšnių.
Išvada
Kvarco stiklo savaiminis įtrūkinėjimas turi aiškią mokslinę paaiškinimą – vidinės įtempios išsivadavimą tam tikromis sąlygomis. Nuo kvarco stiklo lakštų plokštumos iki baltųjų kvarco strypų atsparumo šiluminiam šokui, nuo kvarco stiklo vamzdžių statumo iki neperšviečiamų kvarco plokščių atsparumo nulupimui – įtempies supratimas yra pirmasis žingsnis suprantant medžiagų stabilumą.
EN
