¿Cómo se desarrolla el estrés en los materiales de cuarzo?

¿Cómo se desarrolla el estrés en los materiales de cuarzo?

1.Estrés térmico durante el enfriamiento (causa principal)

El cristal de cuarzo desarrolla tensión interna cuando se expone a temperaturas no uniformes.El vidrio de cuarzo exhibe una estructura atómica específica que es más "adecuada" o estable bajo esas condiciones térmicasCuando el cristal de cuarzo experimenta un calentamiento o enfriamiento desigual, se produce una expansión diferencial.

El estrés generalmente surge cuando las regiones más calientes intentan expandirse pero están restringidas por las zonas más frías circundantes.tensión de compresiónSi la temperatura es lo suficientemente alta como para ablandar el cristal de cuarzo, la tensión puede aliviarse.si el proceso de enfriamiento es demasiado rápidoLa viscosidad del material aumenta demasiado rápidamente, y la estructura atómica no puede ajustarse a tiempo para acomodar la caída de temperatura.tensión de tracción, lo que es más probable que cause daños estructurales.

La tensión aumenta progresivamente a medida que la temperatura baja y puede alcanzar niveles altos después de que termina el enfriamiento.10^4,6 el equilibrio, la temperatura se refiere como elpunto de deformaciónEn esta etapa, la viscosidad es demasiado alta para que ocurra la relajación del estrés.

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2.Estrés por transición de fase y relajación estructural

• Relajación estructural metastableEn el estado fundido, el cuarzo presenta una disposición atómica muy desordenada.debido a la alta viscosidad del estado vidrioso, el movimiento atómico está limitado, dejando la estructura en un estado deestado metastableEsto generaestrés relajante, que puede liberarse lentamente con el tiempo (como se ha observado en elenvejecimientoel fenómeno en los anteojos).

• Tendencia a la cristalización microscópica: Si el cuarzo fundido se mantiene en rangos de temperatura específicos (por ejemplo, cerca de latemperatura de desvitrificación), puede producirse cristalización microscópica (por ejemplo, precipitación demicrocristales de cristobalitaEl desajuste de volumen entre las fases cristalina y amorfa puede inducirtensión de transición de fase.

3.Cargas externas y acciones mecánicas

1) Tensión inducida durante el mecanizado

El procesamiento mecánico, como el corte, la molienda y el pulido, puede introducirdistorsión de la red superficial, lo que resulta enesfuerzo de mecanizadoPor ejemplo, el corte con una muela genera calor localizado y presión mecánica en el borde, lo que conduce a la concentración de tensión.Las técnicas inadecuadas durante la perforación o la ranura pueden crear muescas que actúan comositios de inicio de grietas.

2) Estrés de carga en los entornos de servicio

Cuando se utiliza como material estructural, el cuarzo fundido puede tenercargas mecánicascomo la presión o la flexión, generandoesfuerzo macroscópicoPor ejemplo, los contenedores de cuarzo que contienen sustancias pesadas desarrollan tensiones de flexión.

4.Choque térmico y cambios repentinos de temperatura

1) Estrés instantáneo por calentamiento o enfriamiento rápidos

Aunque el cuarzo fundido tiene un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo (~ 0,5 × 10 - 6 ° C),cambios rápidos de temperatura(por ejemplo, calentamiento desde la temperatura ambiente a altas temperaturas o inmersión en agua helada) puede dar lugar a una expansión o contracción térmica localizada, causandotensión térmica instantáneaLos vasos de vidrio de laboratorio hechos de cuarzo pueden fracturarse bajo tales choques térmicos.

2) Fluctuaciones cíclicas de la temperatura

Bajoambientes térmicos cíclicos a largo plazo(por ejemplo, revestimientos de hornos o ventanas ópticas de alta temperatura), la expansión y contracción térmicas repetidas pueden acumularestrés por fatiga, acelerando el envejecimiento y el agrietamiento del material.

5.Efectos químicos y acoplamiento por estrés

1) Estrés por corrosión y disolución

Cuando el cuarzo fundido entra en contacto conSoluciones alcalinas fuertes(por ejemplo, NaOH) ogases ácidos de alta temperatura(por ejemplo, HF), su superficie puede ser sometida acorrosión o disolución química, perturbando la uniformidad estructural y causandoestrés químicoEl ataque alcalino puede causar cambios en el volumen de la superficie o formarlas micro grietas.

2) Estrés inducido por ECV

En eldeposición de vapor químico (CVD)Procesos, recubrimiento de cuarzo con materiales comoSecopuede introducirtensión interfacialEn el caso de la película, la tensión de refrigeración puede ser muy alta, debido a los desajustes en los coeficientes de expansión térmica o módulos elásticos entre la película y el sustrato.delaminado de películas o agrietamiento de sustratos.

6.Defectos internos e impurezas

1) Burbujas e impurezas incrustadas

Durante la fusión, el residuoburbujas de gaso bienlas impurezasLa diferencia en las propiedades físicas (p. ej.,el coeficiente de expansión térmica o módulo) entre estas inclusiones y el vidrio circundante puede conducir aconcentración de estrés localizada, aumentando el riesgo deformación de grietas alrededor de las burbujasbajo carga.

2) Micro grietas y defectos estructurales

Las impurezas de las materias primas o los defectos de fusión pueden provocarlas micro grietasCuando se exponen a cargas externas o a fluctuaciones de temperatura,concentración de tensión en las puntas de las grietaspuede intensificar, acelerarpropagación de grietasy, en última instancia, comprometiendo la integridad del material.

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