1. מאמץ תרמי במהלך קירור (סיבה עיקרית)
קוורץ מותך יוצר מאמץ בתנאי טמפרטורה לא אחידים. בכל טמפרטורה נתונה, המבנה האטומי של הקוורץ המותך מגיע לתצורה מרחבית "אופטימלית" יחסית. ככל שהטמפרטורה משתנה, המרווח האטומי משתנה בהתאם - תופעה המכונה בדרך כלל התפשטות תרמית. כאשר קוורץ מותך מחומם או מקורר באופן לא אחיד, מתרחשת התפשטות לא אחידה.
מאמץ תרמי נוצר בדרך כלל כאשר אזורים חמים מנסים להתרחב אך מוגבלים על ידי אזורים קרים יותר שמסביב. זה יוצר מאמץ דחיסה, שבדרך כלל אינו גורם נזק. אם הטמפרטורה גבוהה מספיק כדי לרכך את הזכוכית, ניתן להקל על המאמץ. עם זאת, אם קצב הקירור מהיר מדי, הצמיגות עולה במהירות, והמבנה האטומי הפנימי אינו יכול להסתגל בזמן לטמפרטורה היורדת. זה גורם למאמץ מתיחה, אשר סביר הרבה יותר לגרום לשברים או כשל.
לחץ כזה מתעצם ככל שהטמפרטורה יורדת, ומגיע לרמות גבוהות בסוף תהליך הקירור. הטמפרטורה שבה זכוכית קוורץ מגיעה לצמיגות מעל 10^4.6 פויז מכונהנקודת מאמץבשלב זה, צמיגות החומר כה גבוהה עד שהלחץ הפנימי ננעל למעשה ואינו יכול עוד להתפוגג.
2. לחץ כתוצאה ממעבר פאזה והרפיה מבנית
הרפיה מבנית מטא-סטבילית:
במצב מותך, קוורץ התמזג מציג סידור אטומי לא מסודר מאוד. לאחר קירור, האטומים נוטים להירגע לעבר תצורה יציבה יותר. עם זאת, הצמיגות הגבוהה של המצב הזכוכיתי מעכבת את תנועת האטום, וכתוצאה מכך נוצר מבנה פנימי מטא-סטביל ויוצר מאמץ הרלקסציה. עם הזמן, מאמץ זה עשוי להשתחרר באיטיות, תופעה המכונההזדקנות זכוכית.
נטיית התגבשות:
אם קוורץ מותך מוחזק בטווחי טמפרטורות מסוימים (כגון קרוב לטמפרטורת ההתגבשות) למשך תקופות ממושכות, מיקרו-התגבשות עלולה להתרחש - למשל, שקיעה של מיקרו-גבישי קריסטובליט. חוסר ההתאמה הנפחי בין הפאזות הגבישיות והאמורפיות יוצרמתח מעבר פאזה.
3. עומס מכני וכוח חיצוני
1. לחץ כתוצאה מעיבוד:
כוחות מכניים המופעלים במהלך חיתוך, השחזה או ליטוש יכולים לגרום לעיוות סריג פני השטח ולמאמץ עיבוד. לדוגמה, במהלך חיתוך עם גלגל השחזה, חום מקומי ולחץ מכני בקצה גורמים לריכוז מאמץ. טכניקות לא נכונות בקידוח או חריצת יכולות להוביל לריכוזי מאמץ בחריצים, המשמשים כנקודות התחלת סדקים.
2. לחץ מתנאי השירות:
כאשר משתמשים בו כחומר מבני, קוורץ מותך יכול לחוות מאמץ בקנה מידה גדול עקב עומסים מכניים כמו לחץ או כיפוף. לדוגמה, כלי זכוכית קוורץ עלולים לפתח מאמץ כיפוף בעת החזקת תכולה כבדה.
4. הלם תרמי ותנודות טמפרטורה מהירות
1. מאמץ מיידי כתוצאה מחימום/קירור מהירים:
למרות שלקוורץ מותך יש מקדם התפשטות תרמית נמוך מאוד (~0.5×10⁻⁶/°C), שינויי טמפרטורה מהירים (למשל, חימום מטמפרטורת החדר לטמפרטורות גבוהות, או טבילה במי קרח) עדיין יכולים לגרום לגרדיאנטים מקומיים תלולים בטמפרטורה. גרדיאנטים אלה גורמים להתפשטות או התכווצות תרמית פתאומית, מה שיוצר מאמץ תרמי מיידי. דוגמה נפוצה היא שבירה של כלי קוורץ במעבדה עקב הלם תרמי.
2. עייפות תרמית מחזורית:
כאשר קוורץ מותך נחשף לתנודות טמפרטורה חוזרות ונשנות לטווח ארוך - כמו בציפויי תנור או בחלונות צפייה בטמפרטורה גבוהה - הוא עובר התפשטות והתכווצות מחזורית. זה מוביל להצטברות מאמצי עייפות, להאצת ההזדקנות ולסיכון לסדיקה.
5. לחץ המושרה כימית
1. קורוזיה ומאמץ המסה:
כאשר קוורץ מותך בא במגע עם תמיסות אלקליות חזקות (למשל, NaOH) או גזים חומציים בטמפרטורה גבוהה (למשל, HF), מתרחשת קורוזיה והתמוססות פני השטח. מצב זה משבש את האחידות המבנית וגורם ללחץ כימי. לדוגמה, קורוזיה אלקלית יכולה להוביל לשינויים בנפח פני השטח או להיווצרות סדקים קטנים.
2. לחץ כתוצאה ממחלות לב וכלי דם:
תהליכי שקיעת אידוי כימית (CVD) אשר יוצרים ציפויים (למשל, SiC) על גבי קוורץ מותך עלולים ליצור מאמץ בין-פנימי עקב הבדלים במקדמי התפשטות תרמית או מודולי אלסטיות בין שני החומרים. במהלך הקירור, מאמץ זה עלול לגרום להתפרקות או סדקים של הציפוי או המצע.
6. פגמים פנימיים וזיהומים
1. בועות ותכלילים:
בועות גז שיוריות או זיהומים (למשל, יונים מתכתיים או חלקיקים שלא מותכים) שנכנסים במהלך ההיתוך יכולים לשמש כמרכזי מאמץ. הבדלים בהתפשטות תרמית או באלסטיות בין תכלילים אלה לבין מטריצת הזכוכית יוצרים מאמץ פנימי מקומי. סדקים מתחילים לעתים קרובות בקצוות של פגמים אלה.
2. סדקים זעירים ופגמים מבניים:
זיהומים או פגמים בחומר הגלם או מתהליך ההיתוך עלולים לגרום לסדקים פנימיים. תחת עומסים מכניים או מחזורי חום, ריכוז מאמץ בקצות הסדקים יכול לקדם את התפשטות הסדקים, ולהפחית את שלמות החומר.
זמן פרסום: 04 יולי 2025