การวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับการก่อตัวของความเครียดในควอตซ์หลอมรวม: สาเหตุ กลไก และผลกระทบ

1. ความเครียดจากความร้อนระหว่างการทำความเย็น (สาเหตุหลัก)

ควอตซ์หลอมรวมจะสร้างความเครียดภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอ ที่อุณหภูมิที่กำหนดใดๆ ก็ตาม โครงสร้างอะตอมของควอตซ์หลอมรวมจะไปถึงการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ที่ "เหมาะสม" ในระดับหนึ่ง เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ระยะห่างระหว่างอะตอมจะเปลี่ยนไปด้วยเช่นกัน ซึ่งเรียกกันทั่วไปว่าการขยายตัวเนื่องจากความร้อน เมื่อควอตซ์หลอมรวมได้รับความร้อนหรือเย็นตัวไม่สม่ำเสมอ จะเกิดการขยายตัวที่ไม่สม่ำเสมอ

ความเครียดจากความร้อนมักเกิดขึ้นเมื่อบริเวณที่ร้อนกว่าพยายามขยายตัว แต่ถูกจำกัดโดยบริเวณที่เย็นกว่าโดยรอบ ทำให้เกิดความเครียดแบบอัด ซึ่งโดยปกติจะไม่ก่อให้เกิดความเสียหาย หากอุณหภูมิสูงเพียงพอที่จะทำให้กระจกอ่อนตัวลง ความเครียดก็จะลดลง อย่างไรก็ตาม หากอัตราการเย็นตัวเร็วเกินไป ความหนืดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และโครงสร้างอะตอมภายในไม่สามารถปรับตัวตามอุณหภูมิที่ลดลงได้ทัน ส่งผลให้เกิดความเครียดแบบดึง ซึ่งมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดรอยแตกหรือความล้มเหลวได้มากขึ้น

ความเครียดดังกล่าวจะทวีความรุนแรงขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง โดยจะถึงระดับสูงเมื่อสิ้นสุดกระบวนการทำความเย็น อุณหภูมิที่แก้วควอทซ์จะมีความหนืดสูงกว่า 10^4.6 พอยส์ เรียกว่าจุดเครียดณ จุดนี้ ความหนืดของวัสดุจะสูงมากจนความเครียดภายในถูกกักเก็บไว้อย่างมีประสิทธิภาพและไม่สามารถกระจายไปได้อีกต่อไป

---

2. ความเครียดจากการเปลี่ยนเฟสและการคลายตัวของโครงสร้าง

การคลายตัวของโครงสร้างที่ไม่เสถียร:
ในสถานะหลอมเหลว ควอตซ์หลอมเหลวจะแสดงการจัดเรียงอะตอมที่ไม่เป็นระเบียบอย่างมาก เมื่อเย็นตัวลง อะตอมมีแนวโน้มที่จะคลายตัวไปสู่การกำหนดค่าที่เสถียรกว่า อย่างไรก็ตาม ความหนืดสูงของสถานะแก้วขัดขวางการเคลื่อนที่ของอะตอม ส่งผลให้โครงสร้างภายในไม่เสถียรและก่อให้เกิดความเครียดในการคลายตัว เมื่อเวลาผ่านไป ความเครียดนี้อาจค่อยๆ คลายตัว ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการบ่มแก้ว.

แนวโน้มการตกผลึก:
หากควอตซ์หลอมเหลวถูกเก็บไว้ในช่วงอุณหภูมิบางช่วง (เช่น ใกล้อุณหภูมิการตกผลึก) เป็นเวลานาน อาจเกิดการตกผลึกแบบไมโครได้ เช่น การตกตะกอนของไมโครคริสตัลคริสโตบาไลต์ ความไม่ตรงกันของปริมาตรระหว่างเฟสผลึกและเฟสอสัณฐานสร้างความเครียดจากการเปลี่ยนเฟส.

---

3. ภาระทางกลและแรงภายนอก

1. ความเครียดจากการประมวลผล:
แรงทางกลที่ใช้ระหว่างการตัด การเจียร หรือการขัดเงา อาจทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของโครงตาข่ายพื้นผิวและความเค้นในการประมวลผล ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการตัดด้วยล้อเจียร ความร้อนเฉพาะที่และแรงกดทางกลที่ขอบจะทำให้เกิดความเค้นสะสม เทคนิคที่ไม่เหมาะสมในการเจาะหรือการกลึงร่องอาจทำให้เกิดความเค้นสะสมที่รอยบาก ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกร้าว

2. ความเครียดจากสภาพการให้บริการ:
เมื่อใช้เป็นวัสดุโครงสร้าง ควอตซ์หลอมเหลวอาจได้รับแรงเครียดในระดับมหภาคเนื่องจากภาระทางกล เช่น แรงกดดันหรือการดัดงอ ตัวอย่างเช่น แก้วควอตซ์อาจได้รับแรงเครียดจากการดัดงอเมื่อถือสิ่งของหนัก

---

4. ภาวะช็อกจากความร้อนและความผันผวนของอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว

1. ความเครียดทันทีจากการทำความร้อน/ทำความเย็นอย่างรวดเร็ว:
แม้ว่าควอตซ์หลอมเหลวจะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำมาก (~0.5×10⁻⁶/°C) แต่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว (เช่น การให้ความร้อนจากอุณหภูมิห้องไปยังอุณหภูมิสูง หรือการแช่ในน้ำแข็ง) ก็ยังทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิในพื้นที่อย่างรวดเร็ว การไล่ระดับเหล่านี้ส่งผลให้เกิดการขยายตัวหรือหดตัวเนื่องจากความร้อนอย่างกะทันหัน ส่งผลให้เกิดความเครียดจากความร้อนทันที ตัวอย่างทั่วไปคือการแตกร้าวของควอตซ์ในห้องปฏิบัติการเนื่องจากแรงกระแทกจากความร้อน

2. ความเหนื่อยล้าจากความร้อนแบบเป็นวงจร:
เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิที่ผันผวนซ้ำๆ เป็นเวลานาน เช่น ในผนังเตาเผาหรือหน้าต่างสำหรับดูอุณหภูมิสูง ควอตซ์หลอมจะขยายตัวและหดตัวเป็นวงจร ส่งผลให้เกิดความเครียดจากความเมื่อยล้าสะสม เสื่อมสภาพเร็วขึ้น และเสี่ยงต่อการแตกร้าว

5. ความเครียดที่เกิดจากสารเคมี

1. การกัดกร่อนและความเครียดจากการละลาย:
เมื่อควอตซ์หลอมเหลวสัมผัสกับสารละลายด่างเข้มข้น (เช่น NaOH) หรือก๊าซกรดที่มีอุณหภูมิสูง (เช่น HF) จะเกิดการกัดกร่อนและการละลายบนพื้นผิว ซึ่งจะทำลายความสม่ำเสมอของโครงสร้างและก่อให้เกิดความเครียดทางเคมี ตัวอย่างเช่น การกัดกร่อนจากด่างอาจทำให้ปริมาตรบนพื้นผิวเปลี่ยนแปลงหรือเกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็ก

2. ความเครียดที่เกิดจากโรคหัวใจและหลอดเลือด:
กระบวนการ Chemical Vapor Deposition (CVD) ที่เคลือบสาร (เช่น SiC) ลงบนควอตซ์หลอมเหลวอาจทำให้เกิดความเค้นที่ส่วนต่อประสานเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนหรือโมดูลัสยืดหยุ่นระหว่างวัสดุทั้งสองชนิดแตกต่างกัน ในระหว่างการทำความเย็น ความเค้นนี้สามารถทำให้เกิดการแยกชั้นหรือการแตกร้าวของสารเคลือบหรือพื้นผิวได้

---

6. ข้อบกพร่องภายในและสิ่งเจือปน

1. ฟองอากาศและสิ่งที่รวมอยู่:
ฟองแก๊สที่เหลือหรือสิ่งเจือปน (เช่น ไอออนของโลหะหรืออนุภาคที่ยังไม่หลอมละลาย) ที่เข้ามาในระหว่างการหลอมละลายอาจทำหน้าที่เป็นตัวรวมความเค้น ความแตกต่างในการขยายตัวเนื่องจากความร้อนหรือความยืดหยุ่นระหว่างสิ่งที่รวมอยู่เหล่านี้และเมทริกซ์แก้วสร้างความเครียดภายในเฉพาะที่ รอยแตกร้าวส่วนใหญ่มักเริ่มต้นที่ขอบของความไม่สมบูรณ์แบบเหล่านี้

2. รอยแตกร้าวเล็กๆ และข้อบกพร่องทางโครงสร้าง:
สิ่งเจือปนหรือข้อบกพร่องในวัตถุดิบหรือจากกระบวนการหลอมอาจส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็กภายใน ภายใต้ภาระทางกลหรือการเปลี่ยนแปลงความร้อน ความเข้มข้นของความเค้นที่ปลายรอยแตกร้าวสามารถส่งเสริมการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว ส่งผลให้ความสมบูรณ์ของวัสดุลดลง