Come si sviluppa lo stress nei materiali di quarzo?

Come si sviluppa lo stress nei materiali di quarzo?

1. Stress termico durante il raffreddamento (causa principale)

Il vetro di quarzo sviluppa stress interno se esposto a temperature non uniformi. A una data temperatura, il vetro di quarzo mostra una specifica struttura atomica che è più "adatta" o stabile in quelle condizioni termiche. La distanza tra gli atomi cambia con la temperatura, questo è noto come espansione termica. Quando il vetro di quarzo subisce un riscaldamento o un raffreddamento non uniforme, si verifica un'espansione differenziale.

Lo stress tipicamente sorge quando le regioni più calde tentano di espandersi ma sono vincolate dalle aree circostanti più fredde. Ciò si traduce in stress di compressione, che di solito non danneggia il prodotto. Se la temperatura è abbastanza alta da ammorbidire il vetro di quarzo, lo stress può essere alleviato. Tuttavia, se il processo di raffreddamento è troppo rapido, la viscosità del materiale aumenta troppo velocemente e la struttura atomica non può adattarsi in tempo per accogliere l'abbassamento della temperatura. Ciò porta alla formazione di stress di trazione, che ha maggiori probabilità di causare danni strutturali.

Lo stress aumenta progressivamente man mano che la temperatura scende e può raggiungere livelli elevati dopo la fine del raffreddamento. Infatti, quando la viscosità del vetro di quarzo supera 10^4.6 poise, la temperatura è definita come il punto di deformazione—in questa fase, la viscosità è troppo alta perché avvenga il rilassamento dello stress.

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2. Stress da transizione di fase e rilassamento strutturale

• Rilassamento strutturale metastabile: Nello stato fuso, il quarzo mostra una disposizione atomica altamente disordinata. Durante il raffreddamento, gli atomi tentano di passare a una configurazione più stabile. Tuttavia, a causa dell'elevata viscosità dello stato vetroso, il movimento atomico è limitato, lasciando la struttura in uno stato metastabile. Questo genera stress di rilassamento, che può essere rilasciato lentamente nel tempo (come osservato nel fenomeno dell'invecchiamento nei vetri).

• Tendenza alla cristallizzazione microscopica: Se il quarzo fuso viene mantenuto a intervalli di temperatura specifici (ad esempio, vicino alla temperatura di devetrificazione), può verificarsi una cristallizzazione microscopica (ad esempio, precipitazione di microcristalli di cristobalite). La discrepanza di volume tra le fasi cristalline e amorfe può indurre stress di transizione di fase.

3. Carichi esterni e azioni meccaniche

1) Stress indotto durante la lavorazione

La lavorazione meccanica come il taglio, la molatura e la lucidatura può introdurre distorsione del reticolo superficiale, con conseguente stress di lavorazione. Ad esempio, il taglio con una mola genera calore localizzato e pressione meccanica sul bordo, portando alla concentrazione dello stress. Tecniche improprie durante la foratura o la scanalatura possono creare intagli che agiscono come siti di innesco delle crepe.

2) Stress da carico in ambienti di servizio

Quando utilizzato come materiale strutturale, il quarzo fuso può sopportare carichi meccanici come pressione o flessione, generando stress macroscopico. Ad esempio, i contenitori di quarzo che contengono sostanze pesanti sviluppano stress di flessione.

4. Shock termico e variazioni improvvise di temperatura

1) Stress istantaneo da riscaldamento o raffreddamento rapido

Sebbene il quarzo fuso abbia un coefficiente di espansione termica estremamente basso (~0,5×10⁻⁶/°C), rapidi cambiamenti di temperatura (ad esempio, riscaldamento dalla temperatura ambiente ad alte temperature o immersione in acqua ghiacciata) possono causare espansione o contrazione termica localizzata, causando stress termico istantaneo. La vetreria da laboratorio in quarzo può fratturarsi sotto tali shock termici.

2) Fluttuazioni cicliche della temperatura

In ambienti termici ciclici a lungo termine (ad esempio, rivestimenti di forni o finestre ottiche ad alta temperatura), l'espansione e la contrazione termica ripetute possono accumulare stress da fatica, accelerando l'invecchiamento e la fessurazione del materiale.

5. Effetti chimici e accoppiamento dello stress

1) Stress da corrosione e dissoluzione

Quando il quarzo fuso entra in contatto con soluzioni alcaline forti (ad esempio, NaOH) o gas acidi ad alta temperatura (ad esempio, HF), la sua superficie può subire corrosione chimica o dissoluzione, interrompendo l'uniformità strutturale e causando stress chimico. L'attacco alcalino può causare cambiamenti di volume superficiali o formare microfessure.

2) Stress indotto da CVD

Nei processi di deposizione chimica da vapore (CVD), il rivestimento del quarzo con materiali come SiC può introdurre stress interfacciale a causa di discrepanze nei coefficienti di espansione termica o nei moduli elastici tra il film e il substrato. Durante il raffreddamento, tale stress può causare delaminazione del film o fessurazione del substrato.

6. Difetti interni e impurità

1) Bolle e impurità incorporate

Durante la fusione, le bolle di gas residue o le impurità (ad esempio, ioni metallici o particelle non fuse) possono rimanere intrappolate nel quarzo fuso. La differenza nelle proprietà fisiche (ad esempio, coefficiente di espansione termica o modulo) tra queste inclusioni e il vetro circostante può portare a concentrazione dello stress localizzato, aumentando il rischio di formazione di crepe attorno alle bolle sotto carico.

2) Microfessure e difetti strutturali

Le impurità nelle materie prime o i difetti di fusione possono portare a microfessure nel quarzo. Quando sottoposto a carichi esterni o fluttuazioni di temperatura, la concentrazione dello stress alle punte delle crepe può intensificarsi, accelerando la propagazione delle crepe e, in definitiva, compromettendo l'integrità del materiale.

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