1. Thermische stress tijdens het koelen (primaire oorzaak)
Gesmolten kwarts genereert spanning onder ongelijkmatige temperatuuromstandigheden. Bij elke gegeven temperatuur bereikt de atomaire structuur van gesmolten kwarts een relatief "optimale" ruimtelijke configuratie. Naarmate de temperatuur verandert, verschuift de atomaire afstand mee – een fenomeen dat algemeen bekend staat als thermische uitzetting. Wanneer gesmolten kwarts ongelijkmatig wordt verwarmd of afgekoeld, treedt er ongelijkmatige uitzetting op.
Thermische spanning ontstaat meestal wanneer warmere gebieden proberen uit te zetten, maar worden beperkt door omringende koelere zones. Dit creëert drukspanning, die meestal geen schade veroorzaakt. Als de temperatuur hoog genoeg is om het glas te verzachten, kan de spanning worden verminderd. Als de afkoelsnelheid echter te hoog is, neemt de viscositeit snel toe en kan de interne atomaire structuur zich niet tijdig aanpassen aan de dalende temperatuur. Dit resulteert in trekspanning, die veel waarschijnlijker breuken of breuken veroorzaakt.
Deze spanning neemt toe naarmate de temperatuur daalt en bereikt een hoog niveau aan het einde van het afkoelingsproces. De temperatuur waarbij kwartsglas een viscositeit van meer dan 10^4,6 poise bereikt, wordt despanningspuntOp dit punt is de viscositeit van het materiaal zo hoog dat de interne spanning effectief wordt vastgezet en niet meer kan verdwijnen.
2. Stress door faseovergang en structurele ontspanning
Metastabiele structurele relaxatie:
In gesmolten toestand vertoont gesmolten kwarts een zeer ongeordende atomaire ordening. Bij afkoeling hebben atomen de neiging te ontspannen naar een stabielere configuratie. De hoge viscositeit van de glasachtige toestand belemmert echter de atomaire beweging, wat resulteert in een metastabiele interne structuur en relaxatiespanning. Na verloop van tijd kan deze spanning langzaam verdwijnen, een fenomeen dat bekend staat alsglasveroudering.
Kristallisatietendens:
Als gesmolten kwarts gedurende langere tijd binnen bepaalde temperatuurbereiken wordt gehouden (zoals rond de kristallisatietemperatuur), kan microkristallisatie optreden – bijvoorbeeld de precipitatie van cristobaliet-microkristallen. De volumetrische mismatch tussen kristallijne en amorfe fasen creëertfaseovergangsspanning.
3. Mechanische belasting en externe kracht
1. Stress door verwerking:
Mechanische krachten die tijdens het snijden, slijpen of polijsten worden toegepast, kunnen leiden tot vervorming van het oppervlakterooster en spanning in de bewerking. Bijvoorbeeld, tijdens het snijden met een slijpschijf veroorzaken lokale hitte en mechanische druk aan de snijkant spanningsconcentraties. Onjuiste boor- of sleuftechnieken kunnen leiden tot spanningsconcentraties in inkepingen, die dienen als scheurinitiatiepunten.
2. Stress door bedrijfsomstandigheden:
Wanneer gesmolten kwarts als constructiemateriaal wordt gebruikt, kan het macro-spanning ondervinden door mechanische belastingen zoals druk of buiging. Zo kan kwartsglaswerk buigspanning ontwikkelen wanneer het zware inhoud bevat.
4. Thermische schok en snelle temperatuurschommelingen
1. Onmiddellijke spanning door snelle verhitting/afkoeling:
Hoewel gesmolten kwarts een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt heeft (~0,5 × 10⁻⁶/°C), kunnen snelle temperatuurveranderingen (bijvoorbeeld verhitting van kamertemperatuur naar hoge temperaturen, of onderdompeling in ijswater) nog steeds leiden tot steile lokale temperatuurverschillen. Deze verschillen resulteren in plotselinge thermische uitzetting of krimp, wat onmiddellijk thermische spanning veroorzaakt. Een bekend voorbeeld is breuk in laboratoriumkwartswerk door thermische schokken.
2. Cyclische thermische vermoeidheid:
Bij langdurige, herhaalde temperatuurschommelingen – zoals in ovenwanden of hogetemperatuurvensters – ondergaat gesmolten kwarts cyclische uitzetting en krimp. Dit leidt tot een toename van vermoeiingsspanning, wat veroudering en het risico op scheurvorming versnelt.
5. Chemisch geïnduceerde stress
1. Corrosie- en oplossingsspanning:
Wanneer gesmolten kwarts in contact komt met sterke alkalische oplossingen (bijv. NaOH) of zure gassen met een hoge temperatuur (bijv. HF), treedt oppervlaktecorrosie en -oplossing op. Dit verstoort de structurele uniformiteit en veroorzaakt chemische spanning. Alkalicorrosie kan bijvoorbeeld leiden tot veranderingen in het oppervlaktevolume of microscheurvorming.
2. CVD-geïnduceerde stress:
Chemical Vapor Deposition (CVD)-processen waarbij coatings (bijv. SiC) op gesmolten kwarts worden aangebracht, kunnen grensvlakspanningen veroorzaken als gevolg van verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten of elasticiteitsmoduli tussen de twee materialen. Tijdens het afkoelen kan deze spanning leiden tot delaminatie of scheuren in de coating of het substraat.
6. Interne defecten en onzuiverheden
1. Bubbels en insluitsels:
Resterende gasbellen of onzuiverheden (bijv. metaalionen of ongesmolten deeltjes) die tijdens het smelten worden geïntroduceerd, kunnen dienen als spanningsconcentratoren. Verschillen in thermische uitzetting of elasticiteit tussen deze insluitsels en de glasmatrix veroorzaken lokale interne spanningen. Scheuren ontstaan vaak aan de randen van deze imperfecties.
2. Microscheuren en structurele gebreken:
Onzuiverheden of gebreken in de grondstof of door het smeltproces kunnen interne microscheuren veroorzaken. Onder mechanische belasting of thermische schommelingen kan de spanningsconcentratie aan de scheurpunten scheurvoortplanting bevorderen, waardoor de materiaalintegriteit afneemt.
Plaatsingstijd: 4 juli 2025