石英材料にはどのような応力が発生しますか？

1. 冷却中の熱応力（主な原因）

石英ガラスは、温度が不均一な状態にさらされると内部応力が発生します。任意の温度において、石英ガラスはその温度条件下で最も「適した」または安定した特定の原子構造を示します。原子間の間隔は温度によって変化します。これは熱膨張として知られています。石英ガラスが不均一な加熱または冷却を経験すると、差動膨張が発生します。

応力は通常、より高温の領域が膨張しようとするが、周囲のより低温の領域によって拘束される場合に発生します。これにより、圧縮応力が発生し、通常は製品を損傷することはありません。温度が石英ガラスを軟化させるのに十分高い場合、応力は緩和される可能性があります。しかし、冷却プロセスが速すぎる場合、材料の粘度が急速に増加し、原子構造が温度降下に対応するのに間に合わなくなります。これにより、引張応力が発生し、構造的な損傷を引き起こす可能性が高くなります。

応力は温度が低下するにつれて徐々に増加し、冷却終了後には高いレベルに達する可能性があります。実際、石英ガラスの粘度が10^4.6 ポアズを超えると、その温度は歪み点と呼ばれます。この段階では、応力緩和が起こるには粘度が高すぎます。

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2. 相転移と構造緩和による応力

• 準安定構造緩和: 溶融状態では、石英は高度に無秩序な原子配列を示します。冷却中、原子はより安定した構成に向かって遷移しようとします。しかし、ガラス状態の粘度が高いため、原子の動きは制限され、構造は準安定状態のままになります。これにより、緩和応力が発生し、時間の経過とともにゆっくりと解放される可能性があります（ガラスの経年劣化現象で観察されます）。

• 微視的結晶化傾向: 溶融石英が特定の温度範囲（例えば、脱ガラス化温度付近）に保持されると、微視的結晶化（例えば、クリストバライト微結晶の析出）が発生する可能性があります。結晶相と非晶相の体積のミスマッチは、相転移応力内部欠陥と不純物

3. 外部負荷と機械的動作

1) 機械加工中に誘発される応力

切断、研削、研磨などの機械加工は、表面格子歪みを引き起こし、機械加工応力をもたらす可能性があります。例えば、研削砥石による切断は、エッジに局所的な熱と機械的圧力を発生させ、応力集中を引き起こします。穴あけや溝入れ中の不適切な技術は、亀裂発生箇所内部欠陥と不純物

2) 使用環境における負荷応力

構造材料として使用される場合、溶融石英は、圧力や曲げなどの機械的負荷に耐え、巨視的応力を発生させる可能性があります。例えば、重い物質を保持する石英容器は、曲げ応力を発生させます。

4. 熱衝撃と急激な温度変化

1) 急速な加熱または冷却による瞬間的な応力

溶融石英は非常に低い熱膨張係数（〜0.5×10⁻⁶/°C）を持っていますが、急激な温度変化（例えば、室温から高温への加熱や氷水への浸漬）は、局所的な熱膨張または収縮を引き起こし、瞬間的な熱応力を引き起こす可能性があります。このような熱衝撃の下では、石英製の実験用ガラス器具が破損する可能性があります。

2) 周期的温度変動

長期的な周期的熱環境（例えば、炉のライニングや高温光学窓）下では、繰り返しの熱膨張と収縮が疲労応力を蓄積し、材料の経年劣化と亀裂を加速させます。5.

化学的影響と応力結合1) 腐食と溶解応力

溶融石英が

強アルカリ溶液（例えば、NaOH）または高温酸性ガス（例えば、HF）と接触すると、その表面は化学的腐食または溶解を受け、構造的均一性を破壊し、化学的応力を引き起こす可能性があります。アルカリ攻撃は、表面の体積変化を引き起こしたり、微小亀裂亀裂先端での応力集中内部欠陥と不純物

化学気相成長（CVD）

プロセスでは、SiCなどの材料で石英をコーティングすると、膜と基板間の熱膨張係数または弾性率のミスマッチにより、界面応力が発生する可能性があります。冷却すると、このような応力は膜剥離または基板の亀裂を引き起こす可能性があります。6. 内部欠陥と不純物

1) 気泡と埋め込まれた不純物溶融中、残留

気泡

または不純物（例えば、金属イオンまたは未溶融粒子）が溶融石英に閉じ込められる可能性があります。これらの介在物と周囲のガラスとの間の物理的特性（例えば、熱膨張係数または弾性率）の違いは、局所的な応力集中を引き起こし、負荷下での気泡周辺の亀裂形成のリスクを高めます。2) 微小亀裂と構造的欠陥原料中の不純物または溶融欠陥は、石英に

微小亀裂

を引き起こす可能性があります。外部負荷または温度変動にさらされると、亀裂先端での応力集中が強まり、亀裂伝播を加速し、最終的に材料の完全性を損なう可能性があります。当社の製品​