1. Toplotni stres med hlajenjem (primarni vzrok)
Taljeni kremen ustvarja napetost pri neenakomernih temperaturnih pogojih. Pri kateri koli temperaturi atomska struktura taljenega kremena doseže relativno "optimalno" prostorsko konfiguracijo. Ko se temperatura spreminja, se atomski razmik ustrezno spreminja – pojav, ki ga običajno imenujemo toplotno raztezanje. Ko se taljeni kremen neenakomerno segreva ali ohlaja, pride do neenakomernega raztezanja.
Toplotna napetost običajno nastane, ko se vroča območja poskušajo razširiti, vendar jih pri tem omejujejo okoliške hladnejše cone. To ustvarja tlačno napetost, ki običajno ne povzroči poškodb. Če je temperatura dovolj visoka, da se steklo zmehča, se napetost lahko sprosti. Če pa je hitrost ohlajanja prehitra, se viskoznost hitro poveča in notranja atomska struktura se ne more pravočasno prilagoditi padajoči temperaturi. To povzroči natezno napetost, ki veliko bolj verjetno povzroči zlome ali odpoved.
Takšna napetost se stopnjuje s padcem temperature in doseže visoke ravni na koncu procesa ohlajanja. Temperatura, pri kateri kremenčevo steklo doseže viskoznost nad 10^4,6 poise, se imenujetočka deformacijeNa tej točki je viskoznost materiala tako visoka, da se notranja napetost učinkovito zaklene in ne more več oditi.
2. Napetost zaradi faznega prehoda in strukturne relaksacije
Metastabilna strukturna relaksacija:
V staljenem stanju taljeni kremen kaže zelo neurejeno atomsko razporeditev. Po ohlajanju se atomi nagibajo k sprostitvi v bolj stabilno konfiguracijo. Vendar pa visoka viskoznost steklastega stanja ovira gibanje atomov, kar povzroči metastabilno notranjo strukturo in ustvarja relaksacijsko napetost. Sčasoma se ta napetost lahko počasi sprosti, pojav, znan kotstaranje stekla.
Nagnjenost k kristalizaciji:
Če taljeni kremen dlje časa zadržujemo v določenih temperaturnih območjih (na primer blizu temperature kristalizacije), lahko pride do mikrokristalizacije – na primer do izločanja mikrokristalov kristobalita. Zaradi volumetričnega neskladja med kristalno in amorfno fazo nastanenapetost faznega prehoda.
3. Mehanska obremenitev in zunanja sila
1. Stres zaradi predelave:
Mehanske sile, ki se uporabljajo med rezanjem, brušenjem ali poliranjem, lahko povzročijo popačenje površinske mreže in napetosti pri obdelavi. Na primer, med rezanjem z brusilnim kolesom lokalizirana toplota in mehanski pritisk na robu povzročata koncentracijo napetosti. Nepravilne tehnike vrtanja ali utorjenja lahko povzročijo koncentracijo napetosti v zarezah, kar služi kot mesta nastanka razpok.
2. Stres zaradi pogojev uporabe:
Ko se taljeni kremen uporablja kot konstrukcijski material, lahko zaradi mehanskih obremenitev, kot sta tlak ali upogibanje, doživi makro napetost. Na primer, kremenčeva steklovina lahko pri shranjevanju težke vsebine razvije upogibno napetost.
4. Toplotni šok in hitro nihanje temperature
1. Takojšnja napetost zaradi hitrega segrevanja/hlajenja:
Čeprav ima taljeni kremen zelo nizek koeficient toplotnega raztezanja (~0,5 × 10⁻⁶/°C), lahko hitre temperaturne spremembe (npr. segrevanje s sobne temperature na visoke temperature ali potopitev v ledeno vodo) še vedno povzročijo strme lokalne temperaturne gradiente. Ti gradienti povzročijo nenadno toplotno raztezanje ali krčenje, kar povzroči takojšnjo toplotno napetost. Pogost primer je lom laboratorijskih kremenovih posod zaradi toplotnega šoka.
2. Ciklična toplotna utrujenost:
Ko je taljeni kremen izpostavljen dolgotrajnim, ponavljajočim se temperaturnim nihanjem – na primer v oblogah peči ali visokotemperaturnih oknih za opazovanje – se ciklično širi in krči. To vodi do kopičenja utrujenostnih napetosti, pospešenega staranja in nevarnosti razpok.
5. Kemično povzročen stres
1. Korozijska in raztapljalna napetost:
Ko taljeni kremen pride v stik z močnimi alkalnimi raztopinami (npr. NaOH) ali visokotemperaturnimi kislimi plini (npr. HF), pride do površinske korozije in raztapljanja. To moti strukturno enakomernost in povzroča kemične napetosti. Alkalna korozija lahko na primer povzroči spremembe površinskega volumna ali nastanek mikrorazpok.
2. Stres, ki ga povzročajo srčno-žilne bolezni:
Postopki kemičnega nanašanja iz parne faze (CVD), pri katerih se prevleke (npr. SiC) nanašajo na taljeni kremen, lahko povzročijo medfazno napetost zaradi razlik v koeficientih toplotnega raztezanja ali elastičnih modulih med obema materialoma. Med hlajenjem lahko ta napetost povzroči delaminacijo ali razpokanje prevleke ali podlage.
6. Notranje napake in nečistoče
1. Mehurčki in vključki:
Preostali plinski mehurčki ali nečistoče (npr. kovinski ioni ali nestaljeni delci), ki se vnesejo med taljenjem, lahko služijo kot koncentratorji napetosti. Razlike v toplotnem raztezanju ali elastičnosti med temi vključki in stekleno matrico ustvarjajo lokalizirane notranje napetosti. Razpoke se pogosto začnejo na robovih teh nepravilnosti.
2. Mikrorazpoke in strukturne napake:
Nečistoče ali napake v surovini ali zaradi procesa taljenja lahko povzročijo notranje mikrorazpoke. Pri mehanskih obremenitvah ali termičnih ciklih lahko koncentracija napetosti na konicah razpok spodbudi širjenje razpok in zmanjša celovitost materiala.
Čas objave: 4. julij 2025