1. Termisk stress under afkøling (primær årsag)
Smeltet kvarts genererer spændinger under ikke-ensartede temperaturforhold. Ved en given temperatur når den atomare struktur af smeltet kvarts en relativt "optimal" rumlig konfiguration. Når temperaturen ændrer sig, ændres atomafstanden tilsvarende - et fænomen, der almindeligvis omtales som termisk udvidelse. Når smeltet kvarts opvarmes eller afkøles ujævnt, opstår der ikke-ensartet udvidelse.
Termisk stress opstår typisk, når varmere områder forsøger at udvide sig, men er begrænset af de omgivende, koldere zoner. Dette skaber trykspænding, som normalt ikke forårsager skade. Hvis temperaturen er tilstrækkelig høj til at blødgøre glasset, kan spændingen aflastes. Men hvis afkølingshastigheden er for hurtig, stiger viskositeten hurtigt, og den indre atomstruktur kan ikke tilpasse sig den faldende temperatur i tide. Dette resulterer i trækspænding, som er meget mere tilbøjelig til at forårsage brud eller svigt.
Sådan spænding intensiveres, når temperaturen falder, og når høje niveauer ved afslutningen af afkølingsprocessen. Den temperatur, hvor kvartsglas når en viskositet over 10^4,6 poise, kaldesbelastningspunktPå dette tidspunkt er materialets viskositet så høj, at den indre spænding effektivt låses fast og ikke længere kan forsvinde.
2. Stress fra faseovergang og strukturel afslapning
Metastabil strukturel relaksation:
I smeltet tilstand udviser smeltet kvarts en meget uordnet atomar arrangement. Ved afkøling har atomerne en tendens til at slappe af mod en mere stabil konfiguration. Den høje viskositet i den glasagtige tilstand hindrer dog atomernes bevægelse, hvilket resulterer i en metastabil indre struktur og genererer relaksationsspænding. Over tid kan denne spænding langsomt frigives, et fænomen kendt somglasældning.
Krystalliseringstendens:
Hvis smeltet kvarts holdes inden for bestemte temperaturområder (f.eks. nær krystallisationstemperaturen) i længere perioder, kan der forekomme mikrokrystallisation - for eksempel udfældning af cristobalit-mikrokrystaller. Den volumetriske uoverensstemmelse mellem krystallinske og amorfe faser skaberfaseovergangsspænding.
3. Mekanisk belastning og ydre kraft
1. Stress fra forarbejdning:
Mekaniske kræfter, der påføres under skæring, slibning eller polering, kan medføre forvrængning af overfladegitteret og bearbejdningsspændinger. For eksempel kan lokal varme og mekanisk tryk ved kanten forårsage spændingskoncentrationer under skæring med en slibeskive. Forkerte teknikker til boring eller notskæring kan føre til spændingskoncentrationer ved hak, hvilket fungerer som punkter, hvor revner starter.
2. Stress fra tjenesteforhold:
Når det bruges som et strukturelt materiale, kan smeltet kvarts opleve makroskala belastninger på grund af mekaniske belastninger såsom tryk eller bøjning. For eksempel kan kvartsglas udvikle bøjningsspændinger, når det indeholder tunge genstande.
4. Termisk chok og hurtige temperaturudsving
1. Øjeblikkelig spænding fra hurtig opvarmning/afkøling:
Selvom smeltet kvarts har en meget lav termisk udvidelseskoefficient (~0,5×10⁻⁶/°C), kan hurtige temperaturændringer (f.eks. opvarmning fra stuetemperatur til høje temperaturer eller nedsænkning i isvand) stadig forårsage stejle lokale temperaturgradienter. Disse gradienter resulterer i pludselig termisk udvidelse eller sammentrækning, hvilket producerer øjeblikkelig termisk belastning. Et almindeligt eksempel er brud i laboratoriekvarts på grund af termisk chok.
2. Cyklisk termisk træthed:
Når smeltet kvarts udsættes for langvarige, gentagne temperaturudsving – såsom i ovnforinger eller højtemperaturvinduer – undergår det cyklisk udvidelse og sammentrækning. Dette fører til ophobning af udmattelsesspændinger, hvilket accelererer ældning og risiko for revner.
5. Kemisk induceret stress
1. Korrosions- og opløsningsspænding:
Når smeltet kvarts kommer i kontakt med stærke alkaliske opløsninger (f.eks. NaOH) eller sure gasser med høj temperatur (f.eks. HF), opstår overfladekorrosion og opløsning. Dette forstyrrer den strukturelle ensartethed og forårsager kemisk stress. For eksempel kan alkalikorrosion føre til ændringer i overfladevolumen eller dannelse af mikrorevner.
2. CVD-induceret stress:
Kemisk dampaflejringsprocesser (CVD), der aflejrer belægninger (f.eks. SiC) på smeltet kvarts, kan introducere grænsefladespændinger på grund af forskelle i termiske udvidelseskoefficienter eller elasticitetsmoduler mellem de to materialer. Under afkøling kan denne spænding forårsage delaminering eller revner i belægningen eller substratet.
6. Interne defekter og urenheder
1. Bobler og indeslutninger:
Resterende gasbobler eller urenheder (f.eks. metalioner eller usmeltede partikler), der introduceres under smeltningen, kan fungere som spændingskoncentratorer. Forskelle i termisk udvidelse eller elasticitet mellem disse indeslutninger og glasmatricen skaber lokaliseret indre spænding. Revner opstår ofte ved kanterne af disse ufuldkommenheder.
2. Mikrorevner og strukturelle fejl:
Urenheder eller fejl i råmaterialet eller fra smelteprocessen kan resultere i interne mikrorevner. Under mekaniske belastninger eller termiske cyklusser kan spændingskoncentration ved revnespidserne fremme revneudbredelse og dermed reducere materialets integritet.
Opslagstidspunkt: 4. juli 2025