1. Ứng suất nhiệt trong quá trình làm mát (Nguyên nhân chính)
Thạch anh nóng chảy tạo ra ứng suất trong điều kiện nhiệt độ không đồng đều. Ở bất kỳ nhiệt độ nào, cấu trúc nguyên tử của thạch anh nóng chảy đạt đến cấu hình không gian "tối ưu" tương đối. Khi nhiệt độ thay đổi, khoảng cách giữa các nguyên tử cũng thay đổi theo—một hiện tượng thường được gọi là giãn nở nhiệt. Khi thạch anh nóng chảy được làm nóng hoặc làm lạnh không đều, sự giãn nở không đồng đều xảy ra.
Ứng suất nhiệt thường phát sinh khi các vùng nóng hơn cố gắng giãn nở nhưng bị hạn chế bởi các vùng lạnh hơn xung quanh. Điều này tạo ra ứng suất nén, thường không gây ra hư hỏng. Nếu nhiệt độ đủ cao để làm mềm kính, ứng suất có thể được giải tỏa. Tuy nhiên, nếu tốc độ làm mát quá nhanh, độ nhớt tăng nhanh và cấu trúc nguyên tử bên trong không thể điều chỉnh kịp thời theo nhiệt độ giảm. Điều này dẫn đến ứng suất kéo, có nhiều khả năng gây ra gãy hoặc hỏng.
Căng thẳng như vậy tăng lên khi nhiệt độ giảm, đạt đến mức cao vào cuối quá trình làm mát. Nhiệt độ mà thủy tinh thạch anh đạt đến độ nhớt trên 10^4.6 poise được gọi làđiểm căng thẳng. Lúc này, độ nhớt của vật liệu cao đến mức ứng suất bên trong bị khóa chặt và không thể phân tán được nữa.
2. Ứng suất từ quá trình chuyển pha và giãn cấu trúc
Sự giãn nở cấu trúc siêu bền:
Ở trạng thái nóng chảy, thạch anh nóng chảy thể hiện sự sắp xếp nguyên tử rất hỗn loạn. Khi làm mát, các nguyên tử có xu hướng giãn ra theo hướng cấu hình ổn định hơn. Tuy nhiên, độ nhớt cao của trạng thái thủy tinh cản trở chuyển động của nguyên tử, dẫn đến cấu trúc bên trong bán ổn định và tạo ra ứng suất giãn. Theo thời gian, ứng suất này có thể được giải phóng chậm, một hiện tượng được gọi làlão hóa kính.
Xu hướng kết tinh:
Nếu thạch anh nóng chảy được giữ trong một số phạm vi nhiệt độ nhất định (chẳng hạn như gần nhiệt độ kết tinh) trong thời gian dài, quá trình kết tinh vi mô có thể xảy ra—ví dụ, sự kết tủa của các tinh thể vi mô cristobalite. Sự không phù hợp về thể tích giữa các pha tinh thể và vô định hình tạo raứng suất chuyển pha.
3. Tải trọng cơ học và lực bên ngoài
1. Căng thẳng từ quá trình xử lý:
Lực cơ học tác dụng trong quá trình cắt, mài hoặc đánh bóng có thể gây ra sự biến dạng mạng lưới bề mặt và ứng suất gia công. Ví dụ, trong quá trình cắt bằng đá mài, nhiệt cục bộ và áp suất cơ học tại cạnh gây ra sự tập trung ứng suất. Các kỹ thuật khoan hoặc xẻ rãnh không phù hợp có thể dẫn đến sự tập trung ứng suất tại các khía, đóng vai trò là điểm bắt đầu nứt.
2. Căng thẳng từ điều kiện dịch vụ:
Khi được sử dụng làm vật liệu kết cấu, thạch anh nóng chảy có thể chịu ứng suất vĩ mô do tải trọng cơ học như áp suất hoặc uốn cong. Ví dụ, đồ thủy tinh thạch anh có thể bị uốn cong khi chứa đồ nặng.
4. Sốc nhiệt và biến động nhiệt độ nhanh
1. Ứng suất tức thời do làm nóng/làm lạnh nhanh:
Mặc dù thạch anh nóng chảy có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp (~0,5×10⁻⁶/°C), nhưng sự thay đổi nhiệt độ nhanh (ví dụ, đun nóng từ nhiệt độ phòng lên nhiệt độ cao hoặc ngâm trong nước đá) vẫn có thể gây ra sự chênh lệch nhiệt độ cục bộ lớn. Những chênh lệch này dẫn đến sự giãn nở hoặc co lại đột ngột do nhiệt, tạo ra ứng suất nhiệt tức thời. Một ví dụ phổ biến là đồ thạch anh trong phòng thí nghiệm bị nứt do sốc nhiệt.
2. Mệt mỏi nhiệt tuần hoàn:
Khi tiếp xúc với biến động nhiệt độ lặp đi lặp lại trong thời gian dài—chẳng hạn như trong lớp lót lò nung hoặc cửa sổ quan sát nhiệt độ cao—thạch anh nóng chảy trải qua quá trình giãn nở và co lại theo chu kỳ. Điều này dẫn đến tích tụ ứng suất mỏi, đẩy nhanh quá trình lão hóa và nguy cơ nứt vỡ.
5. Căng thẳng do hóa chất gây ra
1. Ứng suất ăn mòn và hòa tan:
Khi thạch anh nóng chảy tiếp xúc với dung dịch kiềm mạnh (ví dụ NaOH) hoặc khí axit nhiệt độ cao (ví dụ HF), sự ăn mòn bề mặt và hòa tan xảy ra. Điều này phá vỡ tính đồng nhất về cấu trúc và gây ra ứng suất hóa học. Ví dụ, sự ăn mòn kiềm có thể dẫn đến thay đổi thể tích bề mặt hoặc hình thành vết nứt nhỏ.
2. Căng thẳng do CVD gây ra:
Các quy trình lắng đọng hơi hóa học (CVD) lắng đọng lớp phủ (ví dụ, SiC) lên thạch anh nóng chảy có thể tạo ra ứng suất giao diện do sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt hoặc mô đun đàn hồi giữa hai vật liệu. Trong quá trình làm mát, ứng suất này có thể gây ra hiện tượng tách lớp hoặc nứt lớp phủ hoặc chất nền.
6. Khuyết tật và tạp chất bên trong
1. Bong bóng và tạp chất:
Các bọt khí hoặc tạp chất còn sót lại (ví dụ, các ion kim loại hoặc các hạt chưa tan chảy) được đưa vào trong quá trình nấu chảy có thể đóng vai trò là chất tập trung ứng suất. Sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt hoặc độ đàn hồi giữa các tạp chất này và ma trận thủy tinh tạo ra ứng suất bên trong cục bộ. Các vết nứt thường bắt đầu ở các cạnh của những khuyết tật này.
2. Các vết nứt nhỏ và lỗi cấu trúc:
Các tạp chất hoặc khuyết tật trong nguyên liệu thô hoặc từ quá trình nấu chảy có thể dẫn đến các vết nứt nhỏ bên trong. Dưới tải trọng cơ học hoặc chu kỳ nhiệt, sự tập trung ứng suất tại các đầu vết nứt có thể thúc đẩy sự lan truyền vết nứt, làm giảm tính toàn vẹn của vật liệu.
Thời gian đăng: 04-07-2025