Вы когда-нибудь сталкивались с такой ситуацией: казалось бы, безупречный кусок кварцевого стекла, который не падал и не подвергался явным внешним воздействиям, вдруг самопроизвольно трескается? Основной причиной этого явления является невидимая и неосязаемая сила — внутреннее напряжение.
Что такое «внутреннее напряжение» кварцевого стекла?
Внутреннее напряжение — это энергия упругой деформации, возникающая при нахождении атомов или молекул в кварцевом стекле в несбалансированном состоянии. Чтобы понять этот феномен, необходимо сначала разобраться в природе кварцевого стекла. Оно состоит из диоксида кремния (SiO₂), однако, в отличие от природных кварцевых кристаллов, имеющих регулярное расположение атомов, его атомная сеть находится в беспорядочном состоянии: после того как атомы кремния и кислорода образуют тетраэдры, способ их соединения друг с другом лишён дальнего порядка и периодичности. Такая беспорядочная структура обеспечивает высокую прозрачность, низкий коэффициент теплового расширения и исключительно высокую химическую стабильность, но одновременно делает внутренние напряжения более скрытыми. Когда микроскопические частицы внутри материала взаимно растягиваются и сжимаются, возникает своего рода сбалансированная, но напряжённая внутренняя сила. Эта сила обычно невидима, однако при определённых условиях её высвобождение может привести к мгновенному разрушению стекла. Под действием таких напряжений в материале возникают микроскопические и неравномерные деформации, которые, в свою очередь, влияют на прочность, оптическую однородность и термостойкость всего изделия из стекла.
Откуда берётся стресс? Пять основных источников
1. Тепловое напряжение
Это наиболее распространённый тип. При нагревании или охлаждении кварцевого стекла, если между поверхностью и внутренней частью возникает разница температур, скорости расширения или сжатия будут различаться. Например, после быстрого охлаждения после высокотемпературной обработки поверхность затвердевает и сжимается быстро, в то время как внутренняя часть остаётся в состоянии расширения при высокой температуре — в результате формируется внутреннее сжимающее напряжение, а на поверхности возникает растягивающее напряжение. Это явление проявляется по-разному в зависимости от формы изделия: тонкий лист кварцевого стекла из-за малой толщины и большой площади особенно чувствителен к термическим напряжениям, и даже незначительная разница температур может привести к оптическому искажению; более толстый кварцевый стеклянный стержень склонен к возникновению остаточных термических напряжений в радиальном направлении, а разница напряжений между центром и поверхностным слоем требует полного отжига для их устранения; что касается кварцевых стеклянных трубок, то разница температур между внутренней и наружной поверхностями стенки трубы вызывает значительные температурные напряжения, а неоднородное осевое напряжение вдоль длины трубы может привести к её изгибу или продольному растрескиванию.
2. Механическое напряжение
Напряжение, возникающее при обработке: в процессе механической обработки, такой как резка, шлифование и полировка, давление, оказываемое инструментами, вызывает незначительную деформацию кристаллической решётки поверхности стекла, приводя к локальной пластической деформации. Например, при неравномерном охлаждении кварцевых стеклянных листов в процессе обработки на кромках легко образуются микротрещины.
Напряжение при сборке: например, при креплении с помощью винтов чрезмерное зажимное усилие или наличие острых углов, перепадов толщины и других подобных конструктивных особенностей могут привести к концентрации напряжений и формированию слабых мест.
3. Напряжение, вызванное фазовыми превращениями
При длительном воздействии высокотемпературной среды выше 1100 °C кварцевое стекло может подвергаться частичной кристаллизации в отдельных областях. Поскольку коэффициенты теплового расширения кристаллов и стекла различны, многократные циклы нагрева и охлаждения приводят к постепенному накоплению этой разницы в виде внутренних напряжений, что может вызвать отслаивание поверхности или образование трещин. Белое кварцевое стекло (включая белые кварцевые стержни и белые кварцевые пластины) имеет белый цвет из-за наличия большого количества мельчайших пузырьков или границ зёрен диоксида кремния, рассеивающих свет. Оно обладает хорошими собственными свойствами отражения инфракрасного излучения, однако наличие пузырьков делает его также чувствительным материалом к концентрации напряжений. Поэтому при его обработке следует применять более щадящие методы. В отличие от него, непрозрачное кварцевое стекло характеризуется более высокой пористостью и используется преимущественно в качестве футеровки или теплоизоляционных компонентов в высокотемпературных печах; однако остаточные термические напряжения склонны накапливаться на краях пор, вызывая локальное отслаивание.
4. Химическое напряжение
Когда поверхность подвергается коррозии под действием кислот и щелочей или происходит ионообмен, изменения объёма оказываются неравномерными, что приводит к возникновению напряжений на поверхности. Например, если белые оксиды, остающиеся на поверхности кварцевой стеклянной трубки после термообработки, не были тщательно удалены, остаточные химические вещества могут вызвать скрытое химическое напряжение, приводящее в будущем к образованию трещин.
5. Внутренние дефекты и примеси
В процессе плавления могут сохраняться остаточные пузырьки, ионы металлов или микротрещины. Поскольку их физические свойства — такие как коэффициент теплового расширения и модуль упругости — отличаются от соответствующих свойств окружающего стекла, они также могут служить центрами концентрации напряжений и ускорять распространение трещин.
Как устранить или контролировать внутренние напряжения?
Основным методом устранения внутренних напряжений в промышленности является отжиг: кварцевое стекло нагревают до определённой температуры (обычно выше 1000 °C), а затем медленно охлаждают, чтобы атомам хватило времени для перестройки в состояние с низким уровнем напряжений. Печь для отжига практически обязательно присутствует на каждом предприятии по производству кварцевого стекла. Для изделий различной формы процесс отжига требует индивидуальной корректировки: чем больше диаметр кварцевого стеклянного прутка, тем дольше требуется время отжига; для кварцевых стеклянных листов необходим особенно равномерный температурный профиль, чтобы предотвратить коробление.
Кроме того, правильное конструирование также позволяет снизить напряжения: следует избегать резких изменений температуры при нагреве и охлаждении, обеспечивать равномерное охлаждение в процессе обработки, предусматривать компенсационные зазоры при сборке, а также тщательно осматривать поверхность на наличие следов коррозии или царапин перед эксплуатацией.
Заключение
Спонтанное растрескивание кварцевого стекла имеет четкое научное объяснение — это высвобождение внутренних напряжений при определённых условиях. От плоскостности листов кварцевого стекла до устойчивости белых кварцевых стержней к тепловому шоку, от вертикальности кварцевых стеклянных трубок до способности непрозрачных кварцевых пластин противостоять отслаиванию: понимание напряжений — первый шаг к пониманию стабильности материалов.
EN
