1. Lämpöjännitys jäähdytyksen aikana (ensisijainen syy)
Sulanut kvartsi aiheuttaa jännitystä epätasaisissa lämpötilaolosuhteissa. Missä tahansa lämpötilassa sulaneen kvartsin atomirakenne saavuttaa suhteellisen "optimaalisen" spatiaalisen konfiguraation. Lämpötilan muuttuessa atomien välinen etäisyys muuttuu vastaavasti – ilmiötä kutsutaan yleisesti lämpölaajenemiseksi. Kun sulanutta kvartsia kuumennetaan tai jäähdytetään epätasaisesti, tapahtuu epätasaista laajenemista.
Lämpöjännitystä syntyy tyypillisesti, kun kuumemmat alueet yrittävät laajentua, mutta ympäröivät viileämmät vyöhykkeet rajoittavat niitä. Tämä luo puristusjännitystä, joka ei yleensä aiheuta vaurioita. Jos lämpötila on riittävän korkea lasin pehmentämiseksi, jännitys voi poistua. Jos jäähdytysnopeus on kuitenkin liian nopea, viskositeetti kasvaa nopeasti, eikä sisäinen atomirakenne pysty sopeutumaan ajoissa laskevaan lämpötilaan. Tämä johtaa vetojännitykseen, joka todennäköisemmin aiheuttaa murtumia tai pettämistä.
Tällainen jännitys voimistuu lämpötilan laskiessa ja saavuttaa korkeat tasot jäähdytysprosessin lopussa. Lämpötilaa, jossa kvartsilasin viskositeetti saavuttaa yli 10^4,6 poisia, kutsutaanvenymäpisteTässä vaiheessa materiaalin viskositeetti on niin korkea, että sisäinen jännitys lukittuu tehokkaasti eikä voi enää haihtua.
2. Faasimuutoksesta ja rakenteellisesta relaksaatiosta johtuva jännitys
Metastabiili rakenteellinen relaksaatio:
Sulassa tilassa sulanut kvartsi osoittaa erittäin epäjärjestäytynyttä atomien järjestystä. Jäähtyessään atomit pyrkivät relaksoitumaan kohti vakaampaa konfiguraatiota. Lasimaisen tilan korkea viskositeetti kuitenkin estää atomien liikettä, mikä johtaa metastabiiliin sisäiseen rakenteeseen ja synnyttää relaksaatiojännitystä. Ajan myötä tämä jännitys voi hitaasti vapautua, ilmiö tunnetaan nimellälasin vanheneminen.
Kiteytymistaipumus:
Jos sulatettua kvartsia pidetään tietyillä lämpötila-alueilla (kuten lähellä kiteytymislämpötilaa) pitkiä aikoja, voi tapahtua mikrokiteytymistä – esimerkiksi kristobaliittimikrokiteiden saostumista. Kiteisen ja amorfisen faasin välinen tilavuuden epäsuhta luofaasimuutosjännitys.
3. Mekaaninen kuormitus ja ulkoinen voima
1. Käsittelystä johtuva stressi:
Leikkaamisen, hiomisen tai kiillotuksen aikana käytetyt mekaaniset voimat voivat aiheuttaa pinnan hilamuodonmuutoksia ja työstöjännitystä. Esimerkiksi hiomalaikalla leikattaessa paikallinen lämpö ja mekaaninen paine reunassa aiheuttavat jännityskeskittymiä. Virheelliset poraus- tai uritustekniikat voivat johtaa jännityskeskittymiin loviin, jotka toimivat halkeamien syntymispisteinä.
2. Käyttöolosuhteista johtuva rasitus:
Rakennemateriaalina käytettynä sulatettu kvartsi voi kokea makrotason jännitystä mekaanisten kuormien, kuten paineen tai taivutuksen, vuoksi. Esimerkiksi kvartsilasitavarat voivat kehittää taivutusjännitystä, kun niissä on raskasta sisältöä.
4. Lämpöshokki ja nopea lämpötilan vaihtelu
1. Nopeasta lämmityksestä/jäähdytyksestä johtuva hetkellinen jännitys:
Vaikka sulatetulla kvartsilla on hyvin alhainen lämpölaajenemiskerroin (~0,5 × 10⁻⁶/°C), nopeat lämpötilan muutokset (esim. lämmittäminen huoneenlämmöstä korkeisiin lämpötiloihin tai upottaminen jääveteen) voivat silti aiheuttaa jyrkkiä paikallisia lämpötilagradientteja. Nämä gradientit johtavat äkilliseen lämpölaajenemiseen tai supistumiseen, mikä aiheuttaa välittömän lämpöjännityksen. Yleinen esimerkki on laboratoriokvartsiastioiden halkeaminen lämpöshokin vuoksi.
2. Syklinen lämpöväsymys:
Kun sulatettu kvartsi altistuu pitkäaikaisille, toistuville lämpötilanvaihteluille – kuten uunien vuorauksissa tai korkean lämpötilan tarkastusikkunoissa – se laajenee ja supistuu syklisesti. Tämä johtaa väsymisjännityksen kertymiseen, kiihdyttää ikääntymistä ja lisää halkeiluriskiä.
5. Kemiallisesti indusoitu stressi
1. Korroosio- ja liukenemisjännitys:
Kun sulanut kvartsi joutuu kosketuksiin vahvojen emäksisten liuosten (esim. NaOH) tai korkean lämpötilan happamien kaasujen (esim. HF) kanssa, pintakorroosiota ja liukenemista tapahtuu. Tämä häiritsee rakenteellista yhtenäisyyttä ja aiheuttaa kemiallista rasitusta. Esimerkiksi alkalikorroosio voi johtaa pintatilavuuden muutoksiin tai mikrohalkeamien muodostumiseen.
2. Sydän- ja verisuonitautien aiheuttama stressi:
Kemiallisen höyrypinnoituksen (CVD) prosessit, joissa pinnoitteita (esim. piikarbidia) kerrostetaan sulatetulle kvartsille, voivat aiheuttaa rajapintajännitystä materiaalien lämpölaajenemiskertoimien tai kimmomoduulien erojen vuoksi. Jäähdytyksen aikana tämä jännitys voi aiheuttaa pinnoitteen tai alustan delaminaatiota tai halkeilua.
6. Sisäiset viat ja epäpuhtaudet
1. Kuplat ja sulkeumat:
Sulamisen aikana syntyneet jäännöskaasukuplat tai epäpuhtaudet (esim. metalli-ionit tai sulamattomat hiukkaset) voivat toimia jännityskeskittiminä. Näiden sulkeumien ja lasimatriisin lämpölaajenemisen tai elastisuuden erot aiheuttavat paikallista sisäistä jännitystä. Halkeamat alkavat usein näiden epätäydellisyyksien reunoilla.
2. Mikrohalkeamat ja rakenteelliset viat:
Raaka-aineen tai sulatusprosessin epäpuhtaudet tai viat voivat aiheuttaa sisäisiä mikrohalkeamia. Mekaanisten kuormien tai lämpövaihteluiden aikana jännitysten keskittyminen halkeamien kärkiin voi edistää halkeamien etenemistä ja heikentää materiaalin eheyttä.
Julkaisun aika: 04.07.2025