Чи зустрічали ви колись таку ситуацію: здавалося б, бездоганний зразок кварцового скла, який ніколи не падав і не підлягав очевидним зовнішнім впливам, раптово тріснув сам по собі? Причиною цього явища є невидима й нематеріальна сила — внутрішній напруга.
Що таке «внутрішня напруга» кварцового скла?
Внутрішні напруження — це еластична енергія деформації, що виникає, коли атоми або молекули всередині кварцового скла перебувають у незбалансованому стані. Щоб зрозуміти це явище, спочатку необхідно з’ясувати природу кварцового скла. Воно складається з діоксиду кремнію (SiO₂), але на відміну від природних кварцових кристалів із регулярним розташуванням атомів його атомна мережа має невпорядкований характер: після утворення тетраедрів із атомів кремнію та кисню спосіб їх взаємного з’єднання не має довготривалої періодичності. Ця невпорядкована структура забезпечує високу прозорість, низький коефіцієнт теплового розширення та надзвичайно високу хімічну стійкість, але водночас сприяє тому, що напруження можуть «приховуватися» всередині матеріалу. Коли мікроскопічні частинки всередині матеріалу тягнуть і штовхають одна одну, виникає певна внутрішня сила, що перебуває в стані рівноваги, але одночасно є напруженою. Ця сила, як правило, невидима, проте за певних умов, коли вона звільняється, може призвести до миттєвого розтріскування скла. Такі напруження викликають незначні й нерівномірні деформації всередині матеріалу, що, у свою чергу, впливає на міцність, оптичну однорідність та теплову стійкість усього виробу зі скла.
Звідки береться стрес? П’ять основних джерел
1. Тепловий стрес
Це найпоширеніший тип. Коли кварцове скло нагрівають або охолоджують, то при наявності різниці температур між поверхнею та внутрішніми шарами швидкості розширення або стиснення будуть різними. Наприклад, після швидкого охолодження після високотемпературної обробки поверхня швидко затвердіває й стискається, тоді як внутрішні шари залишаються в стані розширення при високій температурі — внаслідок цього виникає внутрішнє стискальне напруження, а на поверхні — розтягуюче напруження. Це явище проявляється по-різному залежно від форми виробу: тонкий лист кварцового скла через свою невелику товщину та велику площу особливо чутливий до термічних напружень, і навіть незначна різниця температур може призвести до оптичних спотворень; товстий кварцовий скляний стрижень схильний до залишкових термічних напружень у радіальному напрямку, а різниця напружень між центром та поверхневим шаром потребує повного відпалу для їх усунення; щодо кварцових скляних труб, то різниця температур між внутрішньою та зовнішньою поверхнями стінки труби призводить до значних температурних напружень, а неоднорідні осьові напруження вздовж довжини труби можуть спричинити її вигин або поздовжні тріщини.
2. Механічне напруження
Напруження, що виникає під час обробки: під час механічної обробки, такої як різання, шліфування та полірування, тиск, створюваний інструментами, призводить до незначної деформації кристалічної ґратки поверхні скла, що спричиняє локальну пластичну деформацію. Наприклад, якщо охолодження кварцових скляних листів проходить нерівномірно, на краях легко утворюються мікротріщини.
Напруження збирання: наприклад, під час фіксації за допомогою гвинтів надмірно велике затискне зусилля або наявність гострих кутів, різниця в товщині або інші подібні особливості конструкції можуть призвести до концентрації напружень і формування слабких місць.
3. Напруження, пов’язане з фазовими перетвореннями
Коли кварцове скло піддається впливу високотемпературного середовища понад 1100 °C протягом тривалого часу, у деяких ділянках може відбуватися кристалізація. Через різницю коефіцієнтів теплового розширення між кристалами та склом повторне нагрівання й охолодження поступово накопичують цю різницю у вигляді напружень, що навіть може призвести до відшарування поверхні або утворення тріщин. Біле кварцове скло (у тому числі білі кварцові стрижні та білі кварцові пластини) має білий колір через наявність великої кількості мікробульбашок або границь зерен кремнієвої кислоти, які розсіюють світло. Воно саме по собі має хороші інфрачервоні відбивні властивості, однак наявність бульбашок також робить його чутливим матеріалом до концентрації напружень. Тому під час обробки слід застосовувати більш щадні методи. Натомість непрозоре кварцове скло має вищу пористість і в основному використовується як облицювальний або теплоізоляційний матеріал у високотемпературних печах, проте залишкові термічні напруження схильні накопичуватися на краях пор, що призводить до локального відшарування.
4. Хімічне напруження
Коли поверхня піддається корозії під дією кислот і лугів або відбувається йонний обмін, зміни об’єму є неоднорідними, що призводить до виникнення напруження на поверхні. Наприклад, якщо білі оксиди, що залишаються на поверхні кварцового скляного циліндра після термічної обробки, не видалені повністю, залишкові хімічні речовини можуть спричинити приховане хімічне напруження, що в майбутньому призведе до утворення тріщин.
5. Внутрішні дефекти та домішки
Під час процесу плавлення можуть залишатися захоплені бульбашки, йони металів або мікротріщини. Оскільки їхні фізичні властивості (наприклад, коефіцієнт теплового розширення та модуль пружності) відрізняються від відповідних властивостей навколишнього скла, вони також можуть стати початковими точками концентрації напружень, прискорюючи розповсюдження тріщин.
Як усунути або контролювати внутрішнє напруження?
Основним методом усунення внутрішніх напружень у промисловості є відпал: нагрівання кварцового скла до певної температури (зазвичай вище 1000 ℃), а потім повільне охолодження, щоб атоми мали достатньо часу для перебудови в стан із низьким рівнем напруження. Печі для відпалу є практично обов’язковим обладнанням для будь-якого підприємства з виробництва кварцового скла. Для різних форм продукції процес відпалу потрібно спеціально адаптувати: чим більший діаметр кварцового скляного стрижня, тим довший час відпалу потрібен; для кварцових скляних листів необхідне особливо рівномірне температурне поле, щоб запобігти деформації.
Крім того, правильне конструювання також може зменшити напруження: уникати різкого нагрівання й охолодження, забезпечувати рівномірне охолодження під час обробки, залишати зазори для розширення під час збирання та ретельно перевіряти поверхню на наявність корозії або подряпин перед використанням.
Висновок
Спонтанне тріщення кварцового скла має чітке наукове пояснення — звільнення внутрішнього напруження за певних умов. Від площинності аркушів кварцового скла до стійкості білих кварцових стрижнів до теплового удару, від вертикальності кварцових скляних трубок до здатності непрозорих кварцових плиток запобігати відшаруванню — розуміння напруження є першим кроком у розумінні стабільності матеріалів.
EN
