1. Tepelné namáhání během chlazení (primární příčina)
Tavený křemen vytváří napětí za nerovnoměrných teplotních podmínek. Při jakékoli dané teplotě dosahuje atomová struktura taveného křemene relativně „optimální“ prostorové konfigurace. Se změnou teploty se odpovídajícím způsobem mění i atomová vzdálenost – tento jev se běžně označuje jako tepelná roztažnost. Když se tavený křemen nerovnoměrně zahřívá nebo ochlazuje, dochází k nerovnoměrné roztažnosti.
Tepelné napětí obvykle vzniká, když se teplejší oblasti snaží rozpínat, ale jsou omezeny okolními chladnějšími zónami. To vytváří tlakové napětí, které obvykle nezpůsobuje poškození. Pokud je teplota dostatečně vysoká, aby sklo změklo, lze napětí uvolnit. Pokud je však rychlost ochlazování příliš rychlá, viskozita se rychle zvyšuje a vnitřní atomová struktura se nemůže včas přizpůsobit klesající teplotě. To má za následek tahové napětí, které s mnohem větší pravděpodobností způsobí zlomy nebo selhání.
Toto napětí se zesiluje s klesající teplotou a dosahuje vysokých hodnot na konci procesu ochlazování. Teplota, při které křemenné sklo dosáhne viskozity nad 10^4,6 poise, se označuje jakobod napětíV tomto bodě je viskozita materiálu tak vysoká, že vnitřní napětí se efektivně uzamkne a již se nemůže rozptýlit.
2. Napětí z fázového přechodu a strukturální relaxace
Metastabilní strukturální relaxace:
V roztaveném stavu vykazuje tavený křemen vysoce neuspořádané uspořádání atomů. Po ochlazení mají atomy tendenci relaxovat směrem ke stabilnější konfiguraci. Vysoká viskozita skelného stavu však brání pohybu atomů, což vede k metastabilní vnitřní struktuře a vzniku relaxačního napětí. Postupem času se toto napětí může pomalu uvolňovat, což je jev známý jakostárnutí skla.
Krystalizační tendence:
Pokud je tavený křemen udržován v určitých teplotních rozmezích (například v blízkosti teploty krystalizace) po delší dobu, může dojít k mikrokrystalizaci – například k vysrážení mikrokrystalů kristobalitu. Objemový nesoulad mezi krystalickou a amorfní fází vytvářínapětí fázového přechodu.
3. Mechanické zatížení a vnější síla
1. Stres ze zpracování:
Mechanické síly působící během řezání, broušení nebo leštění mohou způsobit deformaci povrchové mřížky a pnutí při obrábění. Například při řezání brusným kotoučem lokální teplo a mechanický tlak na hraně vyvolávají koncentraci napětí. Nesprávné techniky vrtání nebo drážkování mohou vést ke koncentraci napětí v zářezech, které slouží jako iniciační body trhlin.
2. Namáhání z provozních podmínek:
Při použití jako konstrukčního materiálu může tavený křemen vystavovat se makroměřítku namáhání v důsledku mechanického zatížení, jako je tlak nebo ohyb. Například křemenné sklo může vyvinout ohybové napětí při uchovávání těžkého obsahu.
4. Tepelný šok a rychlé kolísání teploty
1. Okamžité napětí z rychlého ohřevu/ochlazení:
Přestože má tavený křemen velmi nízký koeficient tepelné roztažnosti (~0,5×10⁻⁶/°C), rychlé změny teploty (např. zahřívání z pokojové teploty na vysoké teploty nebo ponoření do ledové vody) mohou stále způsobovat strmé lokální teplotní gradienty. Tyto gradienty vedou k náhlé tepelné roztažnosti nebo smrštění, což vytváří okamžité tepelné napětí. Běžným příkladem je lámání laboratorních křemenných výrobků v důsledku tepelného šoku.
2. Cyklická tepelná únava:
Při vystavení dlouhodobým, opakovaným teplotním výkyvům – například ve vyzdívkách pecí nebo v průzorech pro vysoké teploty – se tavený křemen cyklicky roztahuje a smršťuje. To vede k akumulaci únavového napětí, urychluje stárnutí a zvyšuje riziko praskání.
5. Chemicky indukovaný stres
1. Korozní a rozpouštěcí napětí:
Když se tavený křemen dostane do kontaktu se silnými alkalickými roztoky (např. NaOH) nebo kyselými plyny o vysoké teplotě (např. HF), dochází k povrchové korozi a rozpouštění. To narušuje strukturální uniformitu a vyvolává chemické napětí. Například alkalická koroze může vést ke změnám objemu povrchu nebo tvorbě mikrotrhlin.
2. Stres vyvolaný kardiovaskulárními chorobami:
Procesy chemické depozice z plynné fáze (CVD), které nanášejí povlaky (např. SiC) na tavený křemen, mohou zavádět mezifázové napětí v důsledku rozdílů v koeficientech tepelné roztažnosti nebo modulech pružnosti mezi těmito dvěma materiály. Během chlazení může toto napětí způsobit delaminaci nebo praskání povlaku nebo substrátu.
6. Vnitřní vady a nečistoty
1. Bubliny a inkluze:
Zbytkové bubliny plynu nebo nečistoty (např. kovové ionty nebo neroztavené částice) zavedené během tavení mohou sloužit jako koncentrátory napětí. Rozdíly v tepelné roztažnosti nebo elasticitě mezi těmito vměstky a skleněnou matricí vytvářejí lokalizované vnitřní napětí. Trhliny často vznikají na okrajích těchto nedokonalostí.
2. Mikrotrhliny a strukturální vady:
Nečistoty nebo vady v surovině nebo z procesu tavení mohou vést ke vzniku vnitřních mikrotrhlin. Při mechanickém zatížení nebo tepelných cyklech může koncentrace napětí na špičkách trhlin podporovat šíření trhlin a snižovat tak integritu materiálu.
Čas zveřejnění: 4. července 2025