Wie entsteht Spannung in Quarzmaterialien?

1. Thermische Spannung während der Abkühlung (Hauptursache)

Quarzglas entwickelt innere Spannung, wenn es ungleichmäßigen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei einer bestimmten Temperatur weist Quarzglas eine spezifische atomare Struktur auf, die unter diesen thermischen Bedingungen am "geeignetsten" oder stabilsten ist. Der Abstand zwischen den Atomen ändert sich mit der Temperatur – dies wird als Wärmeausdehnung bezeichnet. Wenn Quarzglas ungleichmäßig erhitzt oder abgekühlt wird, kommt es zu einer differentiellen Ausdehnung.

Spannung entsteht typischerweise, wenn heißere Bereiche versuchen, sich auszudehnen, aber durch kühlere Bereiche in der Umgebung eingeschränkt werden. Dies führt zu Druckspannung, die das Produkt normalerweise nicht beschädigt. Wenn die Temperatur hoch genug ist, um das Quarzglas zu erweichen, kann die Spannung abgebaut werden. Wenn jedoch der Abkühlungsprozess zu schnell ist, erhöht sich die Viskosität des Materials zu schnell, und die atomare Struktur kann sich nicht rechtzeitig an den Temperaturabfall anpassen. Dies führt zur Bildung von Zugspannung, die eher strukturelle Schäden verursacht.

Die Spannung nimmt progressiv mit sinkender Temperatur zu und kann nach dem Ende der Abkühlung hohe Werte erreichen. Tatsächlich wird die Temperatur, wenn die Viskosität von Quarzglas 10^4,6 Poise übersteigt, als Strain Point bezeichnet – in diesem Stadium ist die Viskosität zu hoch, als dass eine Spannungsrelaxation stattfinden könnte.

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2. Spannung durch Phasenübergang und strukturelle Relaxation

• Metastabile strukturelle Relaxation: Im geschmolzenen Zustand weist Quarz eine stark ungeordnete atomare Anordnung auf. Während der Abkühlung versuchen die Atome, in eine stabilere Konfiguration überzugehen. Aufgrund der hohen Viskosität des glasartigen Zustands ist die atomare Bewegung jedoch begrenzt, wodurch die Struktur in einem metastabilen Zustand verbleibt. Dies erzeugt Relaxationsspannung, die sich im Laufe der Zeit langsam abbauen kann (wie bei der Alterung von Gläsern beobachtet).

• Mikroskopische Kristallisationstendenz: Wenn geschmolzener Quarz in bestimmten Temperaturbereichen gehalten wird (z. B. in der Nähe der Entglasungstemperatur), kann eine mikroskopische Kristallisation stattfinden (z. B. Ausfällung von Cristobalit-Mikrokristallen). Die Volumenfehlanpassung zwischen kristallinen und amorphen Phasen kann Phasenübergangsspannung verursachen.

3. Äußere Belastungen und mechanische Einwirkungen

1) Spannung, die während der Bearbeitung induziert wird

Mechanische Bearbeitung wie Schneiden, Schleifen und Polieren kann Oberflächengitterverformung verursachen, was zu Bearbeitungsspannung führt. Beispielsweise erzeugt das Schneiden mit einer Schleifscheibe lokalisierte Wärme und mechanischen Druck an der Kante, was zu einer Spannungskonzentration führt. Unsachgemäße Techniken beim Bohren oder Schlitzen können Kerben erzeugen, die als Rissinitiierungsstellen verursachen.

2) Lastspannung in Betriebsumgebungen

Bei Verwendung als Strukturmaterial kann Quarzglas mechanische Belastungen wie Druck oder Biegung aufnehmen, wodurch makroskopische Spannung erzeugt wird. Beispielsweise entwickeln Quarzbehälter, die schwere Substanzen enthalten, Biegespannung.

4. Thermischer Schock und plötzliche Temperaturänderungen

1) Momentane Spannung durch schnelles Erhitzen oder Abkühlen

Obwohl Quarzglas einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (~0,5×10⁻⁶/°C) aufweist, können schnelle Temperaturänderungen (z. B. Erhitzen von Raumtemperatur auf hohe Temperaturen oder Eintauchen in Eiswasser) zu lokaler Wärmeausdehnung oder -kontraktion führen, was momentane thermische Spannung verursacht. Laborgeräte aus Quarz können unter solchen thermischen Schocks brechen.

2) Zyklische Temperaturschwankungen

Unter langfristigen zyklischen thermischen Umgebungen (z. B. Ofenauskleidungen oder Hochtemperatur-Optikfenster) können wiederholte Wärmeausdehnung und -kontraktion Ermüdungsspannung akkumulieren, was die Materialalterung und Rissbildung beschleunigt.

5. Chemische Effekte und Spannungskopplung

1) Korrosions- und Auflösungsspannung

Wenn Quarzglas mit starken alkalischen Lösungen (z. B. NaOH) oder sauren Hochtemperaturgasen (z. B. HF) in Kontakt kommt, kann seine Oberfläche chemischer Korrosion oder Auflösung unterliegen, wodurch die strukturelle Gleichmäßigkeit gestört und chemische Spannung verursacht wird. Alkalische Angriffe können Oberflächenvolumenänderungen verursachen oder Mikrorissen verursachen.

2) CVD-induzierte Spannung

In Chemical Vapor Deposition (CVD)-Prozessen kann das Beschichten von Quarz mit Materialien wie SiC Grenzflächenspannung aufgrund von Fehlanpassungen der Wärmeausdehnungskoeffizienten oder Elastizitätsmoduln zwischen dem Film und dem Substrat einführen. Beim Abkühlen kann eine solche Spannung Filmdelamination oder Substratrisse verursachen.

6. Innere Defekte und Verunreinigungen

1) Blasen und eingebettete Verunreinigungen

Während des Schmelzens können restliche Gasblasen oder Verunreinigungen (z. B. Metallionen oder ungeschmolzene Partikel) in Quarzglas eingeschlossen werden. Der Unterschied in den physikalischen Eigenschaften (z. B. Wärmeausdehnungskoeffizient oder Modul) zwischen diesen Einschlüssen und dem umgebenden Glas kann zu lokaler Spannungskonzentration führen, was das Risiko von Rissbildung um Blasen unter Belastung erhöht.

2) Mikrorisse und strukturelle Defekte

Verunreinigungen in Rohmaterialien oder Schmelzdefekte können zu Mikrorissen im Quarz führen. Bei äußeren Belastungen oder Temperaturschwankungen kann sich die Spannungskonzentration an Rissspitzen verstärken, was die Rissausbreitung beschleunigt und letztendlich die Integrität des Materials beeinträchtigt.

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