Vai jums kādreiz ir radusies šāda situācija: šķietami nevainojama kvartsa stikla gabals, kurš nav nokritis un nav pakļauts acīmredzamiem ārējiem spēkiem, pēkšņi pašsaprotami saplīst? Šīs parādības pamatā ir neredzama un nesažūdama spēka — iekšējais spriegums.
Kas ir „iekšējais spriegums” kvartsa stiklā?
Iekšējais spriegums attiecas uz elastīgo deformācijas enerģiju, kas rodas, kad kvartsa stikla atomi vai molekulas atrodas nebalansētā stāvoklī. Lai to saprastu, vispirms jāsaprot kvartsa stikla būtība. Tas sastāv no silīcija dioksīda (SiO₂), taču, atšķirībā no dabā regulāri izkārtotajiem kvartsa kristāliem, tā atomu tīkls ir nekārtots — pēc tam, kad silīcija un skābekļa atomi veido tetraedrus, to savstarpējā savienošanās veids nepazīst ilgtermiņa periodiskumu. Šī nekārtotā struktūra nodrošina augstu caurspīdīgumu, zemu termisko izplešanās koeficientu un ārkārtīgi lielu ķīmisko stabilitāti, taču tā arī padara stiklā iekšējos spriegumus vieglāk slēptos. Kad mikroskopiskās daļiņas iekšēji vilka un spieda viena otru, veidojas veids kā līdzsvarots, tomēr saspringts iekšējais spēks. Šis spēks parasti nav redzams, taču noteiktos apstākļos, kad tas tiek atbrīvots, var izraisīt stikla momentānu sabrukšanu. Šie spriegumi izraisa nelielas un nevienmērīgas deformācijas materiālā, kas savukārt ietekmē visa stikla gabala izturību, optisko vienmērīgumu un termisko stabilitāti.
No kurienes rodas stresa sajūta? Pieci galvenie avoti
1. Termiskais spriedums
Tas ir visizplatītākais tips. Kad kvartsa stiklu silda vai atdzesē, ja starp virsmu un iekšpusi pastāv temperatūras starpība, izplešanās vai sarukšanas ātrumi būs dažādi. Piemēram, pēc augstas temperatūras apstrādes ātras atdzišanas virsma sacietē un sarūk ātri, kamēr iekšpuse paliek augstas temperatūras izplešanās stāvoklī — tādējādi veidojas iekšējs spiedes spriegums, bet virsmā veidojas stiepes spriegums. Šis parādības veids atšķiras dažādu produktu formās: plānai kvartsa stikla loksnei, kuras biezums ir mazs, bet platība liela, īpaši jūtama termiskā slodze, un pat neliela temperatūras starpība var izraisīt optisku izkropļojumu; biezākam kvartsa stikla stieņam, savukārt, ir tendence uzkrāt atlikušo termisko spriegumu radiālajā virzienā, un sprieguma starpību starp centru un virsmas slāni ir nepieciešams pilnībā novērst ar atkausēšanu; kamēr kvartsa stikla caurulēm caurules sienas iekšējās un ārējās virsmas temperatūras starpības izraisītais spriegums ir ievērojams, un nevienmērīgais garenvirziena spriegums gar caurules garumu var izraisīt lieces deformāciju vai garenvirziena plaisas.
2. Mekhāniskais spriegums
Apstrādes spriegums: Mekhāniskās apstrādes laikā, piemēram, griežot, slīpējot un polirējot, rīku izvirzītā spiediena dēļ stikla virsmas kristālrežģis piedzīvo nelielu izkropļojumu, kas izraisa vietēju plastisko deformāciju. Piemēram, ja kvartzstikla loksnes apstrādē dzesēšana notiek nevienmērīgi, malās ir tendence veidoties mikroplaisām.
Montāžas spriegums: Piemēram, izmantojot skrūves stiprināšanai, pārāk liela pievelkšanas spēka vai konstrukcijā esošu asu stūru, biezuma un plānuma svārstību vai citu līdzīgu elementu dēļ spriegums var koncentrēties un kļūt par vāju vietu.
3. Fāžu pārveidošanas spriegums
Kad kvartzstikls ilgu laiku tiek pakļauts augstas temperatūras vides ietekmei virs 1100 ℃, dažas tā vietas var kristalizēties. Tā kā kristāliem un stiklam ir atšķirīgi termiskās izplešanās koeficienti, atkārtota uzkarsēšana un atdzišana pakāpeniski uzkrāj šo atšķirību kā spriegumu, kas pat var izraisīt virsmas noriešanu vai plaisas. Baltais kvartzstikls (ieskaitot baltos kvartskokus un baltās kvartzplāksnes) izskatās balts, jo tajā ir liels skaits mikroskopisku burbuļu vai silīcija graudu robežvirsmu, kas izkliedē gaismu. Tas pašam par sevi ir labi infrasarkanie starojuma atstarojošs materiāls, taču burbuļu klātbūtne to arī padara jutīgu materiālu sprieguma koncentrācijai. Tāpēc tā apstrādē jāizmanto mīkstākas apstrādes metodes. Savukārt matētais kvartzstikls ir poraināks un galvenokārt tiek izmantots kā apvalks vai izolācijas komponenti augstas temperatūras krāsnīs, tomēr atlikušais termiskais spriegums viegli uzkrājas poru malās, izraisot vietēju noriešanu.
4. Ķīmiskais spriegums
Kad virsma tiek korodēta ar skābēm un bāzēm vai notiek jonu apmaiņa, tilpuma izmaiņas nav vienmērīgas, tādējādi radot virsmas spriegumu. Piemēram, ja pēc termiskās apstrādes uz kvartsa stikla caurules virsmas palikušās baltās oksīdu atliekas netiek rūpīgi noņemtas, atlikušās ķīmiskās vielas var izraisīt slēptu ķīmisko spriegumu, kas nākotnē var izraisīt plaisas.
5. Iekšējās defekti un piemaisījumi
Kausēšanas procesā var pastāvēt atlikušās gāzes burbuļi, metālu joni vai mikroplaisas. To fizikālās īpašības, piemēram, termiskās izplešanās koeficients un elastības modulis, atšķiras no apkārtējā stikla īpašībām, tādēļ tie var kalpot arī kā sprieguma koncentrācijas sākumpunkts, paātrinot plaisu izplatīšanos.
Kā novērst vai kontrolēt iekšējo spriegumu?
Kvartsa stikla iekšējās sasprindzinājuma novēršanas rūpniecībā pamatmetode ir atkausēšana: kvartsa stiklu uzsilda līdz noteiktai temperatūrai (parasti virs 1000 ℃), pēc tam lēni atdzesē, lai atomiem būtu pietiekami daudz laika, lai pārkārtotos zemu sasprindzinājumu stāvoklī. Atkausēšanas krāsns gandrīz vienmēr ir nepieciešama aprīkojuma vienība katram kvartsa stikla ražošanas uzņēmumam. Dažādu formu izstrādājumiem atkausēšanas process jāpielāgo konkrēti: jo lielāks ir kvartsa stikla stieņa diametrs, jo ilgāks ir nepieciešamais atkausēšanas laiks; kvartsa stikla plāksnēm nepieciešams īpaši vienmērīgs temperatūras lauks, lai novērstu izliekšanos.
Turklāt pareiza konstrukcija arī var samazināt sasprindzinājumu: izvairīties no straujas dzesēšanas un uzsildīšanas, apstrādes laikā nodrošināt vienmērīgu dzesēšanu, montāžas laikā atstāt izplešanās spraugas un pirms lietošanas rūpīgi pārbaudīt virsmu uz korozijas vai rievām.
Secinājums
Kvarca stikla spontānais plaisāšanās parādība ir skaidri zinātniski izskaidrojama — tā ir iekšējo spriegumu atbrīvošanās noteiktos apstākļos. No kvarca stikla loksnes plaknuma līdz baltā kvarca stieņu pretestībai karstuma šokam, no kvarca stikla caurulīšu vertikālumam līdz matēto kvarca plākšņu pretestībai norūšanai — spriegumu izpratne ir pirmais solis materiālu stabilitātes izpratnē.
EN
