Πώς αναπτύσσεται η τάση στα υλικά χαλαζία;

1. Θερμική τάση κατά την ψύξη (Κύρια αιτία)

Το γυαλί χαλαζία αναπτύσσει εσωτερική τάση όταν εκτίθεται σε μη ομοιόμορφες θερμοκρασίες. Σε οποιαδήποτε δεδομένη θερμοκρασία, το γυαλί χαλαζία παρουσιάζει μια συγκεκριμένη ατομική δομή που είναι η πιο «κατάλληλη» ή σταθερή υπό αυτές τις θερμικές συνθήκες. Η απόσταση μεταξύ των ατόμων αλλάζει με τη θερμοκρασία—αυτό είναι γνωστό ως θερμική διαστολή. Όταν το γυαλί χαλαζία υφίσταται ανομοιόμορφη θέρμανση ή ψύξη, συμβαίνει διαφορική διαστολή.

Η τάση συνήθως προκύπτει όταν θερμότερες περιοχές προσπαθούν να διασταλούν αλλά περιορίζονται από τις γύρω ψυχρότερες περιοχές. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τάση συμπίεσης, η οποία συνήθως δεν προκαλεί ζημιά στο προϊόν. Εάν η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή ώστε να μαλακώσει το γυαλί χαλαζία, η τάση μπορεί να ανακουφιστεί. Ωστόσο, εάν η διαδικασία ψύξης είναι πολύ γρήγορη, το ιξώδες του υλικού αυξάνεται πολύ γρήγορα και η ατομική δομή δεν μπορεί να προσαρμοστεί εγκαίρως για να προσαρμοστεί στην πτώση της θερμοκρασίας. Αυτό οδηγεί στον σχηματισμό τάσης εφελκυσμού, η οποία είναι πιο πιθανό να προκαλέσει δομική ζημιά.

Η τάση αυξάνεται προοδευτικά καθώς η θερμοκρασία πέφτει και μπορεί να φτάσει σε υψηλά επίπεδα μετά το τέλος της ψύξης. Στην πραγματικότητα, όταν το ιξώδες του γυαλιού χαλαζία υπερβαίνει 10^4.6 poise, η θερμοκρασία αναφέρεται ως σημείο καταπόνησης—σε αυτό το στάδιο, το ιξώδες είναι πολύ υψηλό για να συμβεί χαλάρωση της τάσης.

Κανονικό>Παραμορφωμένο>

2. Τάση από τη μετάβαση φάσης και τη δομική χαλάρωση

• Μεταστατική δομική χαλάρωση: Στην κατάσταση τήξης, ο χαλαζίας παρουσιάζει μια εξαιρετικά ατακτική ατομική διάταξη. Κατά την ψύξη, τα άτομα προσπαθούν να μεταβούν προς μια πιο σταθερή διαμόρφωση. Ωστόσο, λόγω του υψηλού ιξώδους της υαλώδους κατάστασης, η ατομική κίνηση είναι περιορισμένη, αφήνοντας τη δομή σε μια μεταστατική κατάσταση. Αυτό δημιουργεί τάση χαλάρωσης, η οποία μπορεί να απελευθερωθεί αργά με την πάροδο του χρόνου (όπως παρατηρείται στο φαινόμενο γήρανσης στα γυαλιά).

• Μικροσκοπική τάση κρυστάλλωσης: Εάν ο τηγμένος χαλαζίας διατηρηθεί σε συγκεκριμένα εύρη θερμοκρασίας (π.χ., κοντά στη θερμοκρασία αποϋάλωσης), μπορεί να συμβεί μικροσκοπική κρυστάλλωση (π.χ., κατακρήμνιση μικροκρυστάλλων κριστοβαλίτη). Η ασυμφωνία όγκου μεταξύ κρυσταλλικών και άμορφων φάσεων μπορεί να προκαλέσει τάση μετάβασης φάσης.

3. Εξωτερικά φορτία και μηχανικές ενέργειες

1) Τάση που προκαλείται κατά τη μηχανική κατεργασία

Η μηχανική κατεργασία όπως η κοπή, η λείανση και η στίλβωση μπορεί να εισαγάγει παραμόρφωση πλέγματος επιφάνειας, με αποτέλεσμα τάση μηχανικής κατεργασίας. Για παράδειγμα, η κοπή με έναν λειαντικό τροχό δημιουργεί τοπική θερμότητα και μηχανική πίεση στην άκρη, οδηγώντας σε συγκέντρωση τάσης. Οι ακατάλληλες τεχνικές κατά τη διάτρηση ή την κοπή αυλακώσεων μπορούν να δημιουργήσουν εγκοπές που δρουν ως θέσεις έναρξης ρωγμών.

2) Τάση φόρτισης σε περιβάλλοντα υπηρεσίας

Όταν χρησιμοποιείται ως δομικό υλικό, ο συντηγμένος χαλαζίας μπορεί να φέρει μηχανικά φορτία όπως πίεση ή κάμψη, δημιουργώντας μακροσκοπική τάση. Για παράδειγμα, τα δοχεία χαλαζία που περιέχουν βαριές ουσίες αναπτύσσουν τάση κάμψης.

4. Θερμικό σοκ και ξαφνικές αλλαγές θερμοκρασίας

1) Στιγμιαία τάση από ταχεία θέρμανση ή ψύξη

Αν και ο συντηγμένος χαλαζίας έχει εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής (~0,5×10⁻⁶/°C), γρήγορες αλλαγές θερμοκρασίας (π.χ., θέρμανση από θερμοκρασία δωματίου σε υψηλές θερμοκρασίες ή εμβάπτιση σε παγωμένο νερό) μπορεί να οδηγήσουν σε τοπική θερμική διαστολή ή συστολή, προκαλώντας στιγμιαία θερμική τάση. Τα εργαστηριακά γυάλινα σκεύη από χαλαζία μπορεί να σπάσουν υπό τέτοια θερμικά σοκ.

2) Κυκλικές διακυμάνσεις θερμοκρασίας

Υπό μακροχρόνια κυκλικά θερμικά περιβάλλοντα (π.χ., επενδύσεις φούρνων ή οπτικά παράθυρα υψηλής θερμοκρασίας), η επαναλαμβανόμενη θερμική διαστολή και συστολή μπορεί να συσσωρεύσει τάση κόπωσης, επιταχύνοντας τη γήρανση και τη ρωγμή του υλικού.

5. Χημικές επιδράσεις και σύζευξη τάσης

1) Διάβρωση και τάση διάλυσης

Όταν ο συντηγμένος χαλαζίας έρχεται σε επαφή με ισχυρά αλκαλικά διαλύματα (π.χ., NaOH) ή αέρια οξέων υψηλής θερμοκρασίας (π.χ., HF), η επιφάνειά του μπορεί να υποστεί χημική διάβρωση ή διάλυση, διαταράσσοντας τη δομική ομοιομορφία και προκαλώντας χημική τάση. Η αλκαλική επίθεση μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στον όγκο της επιφάνειας ή να σχηματίσει μικρορωγμές.

2) Τάση που προκαλείται από CVD

Σε διαδικασίες χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD), η επίστρωση χαλαζία με υλικά όπως SiC μπορεί να εισαγάγει τάση διεπαφής λόγω ασυμφωνιών στους συντελεστές θερμικής διαστολής ή στους ελαστικούς συντελεστές μεταξύ της μεμβράνης και του υποστρώματος. Κατά την ψύξη, αυτή η τάση μπορεί να προκαλέσει απολέπιση φιλμ ή ρωγμές υποστρώματος.

6. Εσωτερικά ελαττώματα και ακαθαρσίες

1) Φυσαλίδες και ενσωματωμένες ακαθαρσίες

Κατά την τήξη, υπολειμματικές φυσαλίδες αερίου ή ακαθαρσίες (π.χ., ιόντα μετάλλων ή μη τηγμένα σωματίδια) μπορεί να παγιδευτούν στον συντηγμένο χαλαζία. Η διαφορά στις φυσικές ιδιότητες (π.χ., συντελεστής θερμικής διαστολής ή συντελεστής ελαστικότητας) μεταξύ αυτών των εγκλεισμάτων και του περιβάλλοντος γυαλιού μπορεί να οδηγήσει σε τοπική συγκέντρωση τάσης, αυξάνοντας τον κίνδυνο σχηματισμού ρωγμών γύρω από φυσαλίδες υπό φορτίο.

2) Μικρορωγμές και δομικά ελαττώματα

Οι ακαθαρσίες στις πρώτες ύλες ή τα ελαττώματα τήξης μπορούν να οδηγήσουν σε μικρορωγμές στον χαλαζία. Όταν υποβάλλονται σε εξωτερικά φορτία ή διακυμάνσεις θερμοκρασίας, η συγκέντρωση τάσης στις άκρες των ρωγμών μπορεί να ενταθεί, επιταχύνοντας την εξάπλωση των ρωγμών και τελικά να θέσει σε κίνδυνο την ακεραιότητα του υλικού.

Τα Προϊόντα μας

​