1. Termiskā spriedze dzesēšanas laikā (galvenais cēlonis)
Kausētais kvarcs rada spriegumu nevienmērīgos temperatūras apstākļos. Jebkurā noteiktā temperatūrā kausētā kvarca atomu struktūra sasniedz relatīvi "optimālu" telpisko konfigurāciju. Mainoties temperatūrai, attiecīgi mainās arī atomu atstatums — parādība, ko parasti sauc par termisko izplešanos. Kad kausēto kvarcu nevienmērīgi uzsilda vai atdzesē, notiek nevienmērīga izplešanās.
Termiskais spriegums parasti rodas, kad karstāki reģioni mēģina izplesties, bet tos ierobežo apkārtējās aukstākās zonas. Tas rada spiedes spriegumu, kas parasti nerada bojājumus. Ja temperatūra ir pietiekami augsta, lai stikls kļūtu mīksts, spriegumu var mazināt. Tomēr, ja dzesēšanas ātrums ir pārāk liels, viskozitāte strauji palielinās, un iekšējā atomu struktūra nevar laikus pielāgoties temperatūras pazemināšanās. Tas rada stiepes spriegumu, kas daudz biežāk izraisa lūzumus vai bojājumus.
Šāds spriegums pastiprinās, temperatūrai pazeminoties, sasniedzot augstu līmeni dzesēšanas procesa beigās. Temperatūru, kurā kvarca stikla viskozitāte pārsniedz 10^4,6 puāzi, sauc pardeformācijas punktsŠajā brīdī materiāla viskozitāte ir tik augsta, ka iekšējais spriegums tiek efektīvi bloķēts un vairs nevar izkliedēties.
2. Spriegums no fāžu pārejas un strukturālās relaksācijas
Metastabilā strukturālā relaksācija:
Izkausētā stāvoklī kausētam kvarcam ir ļoti nesakārtots atomu izkārtojums. Atdzesējot, atomi mēdz relaksēties stabilākas konfigurācijas virzienā. Tomēr stiklveida stāvokļa augstā viskozitāte kavē atomu kustību, kā rezultātā veidojas metastabilā iekšējā struktūra un rodas relaksācijas spriegums. Laika gaitā šis spriegums var lēnām atbrīvoties, un šī parādība ir pazīstama kāstikla novecošana.
Kristalizācijas tendence:
Ja kausēts kvarcs ilgstoši tiek turēts noteiktā temperatūras diapazonā (piemēram, tuvu kristalizācijas temperatūrai), var notikt mikrokristalizācija, piemēram, kristobalīta mikrokristālu nogulsnēšanās. Tilpuma neatbilstība starp kristālisko un amorfo fāzi radafāzes pārejas spriegums.
3. Mehāniskā slodze un ārējais spēks
1. Stress no apstrādes:
Mehāniskie spēki, kas pielikti griešanas, slīpēšanas vai pulēšanas laikā, var radīt virsmas režģa deformāciju un apstrādes spriegumu. Piemēram, griežot ar slīpripu, lokalizēts karstums un mehāniskais spiediens uz malu rada sprieguma koncentrāciju. Nepareizas urbšanas vai gropju veidošanas metodes var izraisīt sprieguma koncentrāciju iecirtumos, kas kalpo kā plaisu veidošanās punkti.
2. Spriegums no ekspluatācijas apstākļiem:
Izmantojot kausētu kvarcu kā konstrukcijas materiālu, tas var piedzīvot makroskopisku spriegumu mehānisku slodžu, piemēram, spiediena vai lieces, ietekmē. Piemēram, kvarca stikla traukiem var rasties lieces spriegums, turot tajos smagu saturu.
4. Termiskais šoks un straujas temperatūras svārstības
1. Momentānais spriegums no straujas uzkaršanas/atdzesēšanas:
Lai gan kausētajam kvarcam ir ļoti zems termiskās izplešanās koeficients (~0,5×10⁻⁶/°C), straujas temperatūras izmaiņas (piemēram, karsēšana no istabas temperatūras līdz augstai temperatūrai vai iegremdēšana ledusaukstā ūdenī) joprojām var izraisīt stāvus lokālus temperatūras gradientus. Šie gradienti izraisa pēkšņu termisko izplešanos vai saraušanos, radot momentānu termisko spriegumu. Bieži sastopams piemērs ir laboratorijas kvarca trauku plaisāšana termiskā šoka dēļ.
2. Cikliskais termiskais nogurums:
Ilgstoši, atkārtotām temperatūras svārstībām pakļauts kausētais kvarcs, piemēram, krāsns oderējumā vai augstas temperatūras skata logos, piedzīvo ciklisku izplešanos un saraušanos. Tas noved pie noguruma sprieguma uzkrāšanās, paātrina novecošanos un rada plaisāšanas risku.
5. Ķīmiski izraisīts stress
1. Korozijas un šķīšanas spriegums:
Kad kausēts kvarcs nonāk saskarē ar spēcīgiem sārmainiem šķīdumiem (piemēram, NaOH) vai augstas temperatūras skābām gāzēm (piemēram, HF), notiek virsmas korozija un šķīšana. Tas izjauc struktūras vienmērīgumu un rada ķīmisku stresu. Piemēram, sārmu korozija var izraisīt virsmas tilpuma izmaiņas vai mikroplaisu veidošanos.
2. Sirds un asinsvadu slimību izraisīts stress:
Ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (CVD) procesi, kuros pārklājumi (piemēram, SiC) tiek nogulsnēti uz kausēta kvarca, var radīt saskarnes spriegumu abu materiālu termiskās izplešanās koeficientu vai elastības moduļu atšķirību dēļ. Dzesēšanas laikā šis spriegums var izraisīt pārklājuma vai substrāta delamināciju vai plaisāšanu.
6. Iekšējie defekti un piemaisījumi
1. Burbuļi un ieslēgumi:
Kušanas laikā radušies atlikušie gāzes burbuļi vai piemaisījumi (piemēram, metāla joni vai neizkusušas daļiņas) var kalpot kā sprieguma koncentratori. Termiskās izplešanās vai elastības atšķirības starp šiem ieslēgumiem un stikla matricu rada lokalizētu iekšējo spriegumu. Plaisas bieži rodas šo defektu malās.
2. Mikroplaisas un strukturāli defekti:
Izejmateriāla vai kausēšanas procesa piemaisījumi vai defekti var izraisīt iekšējas mikroplaisas. Mehānisku slodžu vai termisko ciklu ietekmē sprieguma koncentrācija plaisu galos var veicināt plaisu izplatīšanos, samazinot materiāla integritāti.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 4. jūlijs