1. Tepelné namáhanie počas chladenia (primárna príčina)
Tavený kremeň vytvára napätie za nerovnomerných teplotných podmienok. Pri akejkoľvek danej teplote dosahuje atómová štruktúra taveného kremeňa relatívne „optimálnu“ priestorovú konfiguráciu. So zmenou teploty sa zodpovedajúcim spôsobom mení aj vzdialenosť atómov – tento jav sa bežne označuje ako tepelná rozťažnosť. Keď sa tavený kremeň nerovnomerne zahrieva alebo ochladzuje, dochádza k nerovnomernej rozťažnosti.
Tepelné napätie zvyčajne vzniká, keď sa teplejšie oblasti snažia rozpínať, ale sú obmedzené okolitými chladnejšími zónami. To vytvára tlakové napätie, ktoré zvyčajne nespôsobuje poškodenie. Ak je teplota dostatočne vysoká na zmäkčenie skla, napätie sa dá uvoľniť. Ak je však rýchlosť ochladzovania príliš rýchla, viskozita sa rýchlo zvyšuje a vnútorná atómová štruktúra sa nedokáže včas prispôsobiť klesajúcej teplote. To vedie k ťahovému napätiu, ktoré s oveľa väčšou pravdepodobnosťou spôsobí zlomy alebo poruchu.
Takéto napätie sa zintenzívňuje s poklesom teploty a dosahuje vysoké úrovne na konci procesu chladenia. Teplota, pri ktorej kremenné sklo dosiahne viskozitu nad 10^4,6 poise, sa označuje akobod napätiaV tomto bode je viskozita materiálu taká vysoká, že vnútorné napätie sa účinne uzamkne a už sa nemôže rozptýliť.
2. Napätie z fázového prechodu a štrukturálnej relaxácie
Metastabilná štrukturálna relaxácia:
V roztavenom stave vykazuje tavený kremeň vysoko neusporiadané usporiadanie atómov. Po ochladení majú atómy tendenciu relaxovať smerom k stabilnejšej konfigurácii. Vysoká viskozita sklovitého stavu však bráni pohybu atómov, čo vedie k metastabilnej vnútornej štruktúre a vytvára relaxačné napätie. Postupom času sa toto napätie môže pomaly uvoľňovať, čo je jav známy akostarnutie skla.
Tendencia ku kryštalizácii:
Ak sa tavený kremeň udržiava v určitých teplotných rozsahoch (napríklad v blízkosti teploty kryštalizácie) dlhší čas, môže dôjsť k mikrokryštalizácii – napríklad k vyzrážaniu mikrokryštálov kristobalitu. Objemový nesúlad medzi kryštalickou a amorfnou fázou vytváranapätie fázového prechodu.
3. Mechanické zaťaženie a vonkajšia sila
1. Stres zo spracovania:
Mechanické sily pôsobiace počas rezania, brúsenia alebo leštenia môžu spôsobiť deformáciu povrchovej mriežky a namáhanie pri obrábaní. Napríklad počas rezania brúsnym kotúčom lokálne teplo a mechanický tlak na hrane spôsobujú koncentráciu napätia. Nesprávne techniky vŕtania alebo drážkovania môžu viesť ku koncentrácii napätia v zárezoch, ktoré slúžia ako iniciačné body trhlín.
2. Napätie z prevádzkových podmienok:
Pri použití ako konštrukčný materiál môže tavený kremeň čeliť makroekonomickému namáhaniu v dôsledku mechanického zaťaženia, ako je tlak alebo ohyb. Napríklad kremenné sklo môže vyvinúť ohybové napätie pri udržiavaní ťažkého obsahu.
4. Tepelný šok a rýchle kolísanie teploty
1. Okamžité napätie z rýchleho ohrevu/ochladenia:
Hoci má tavený kremeň veľmi nízky koeficient tepelnej rozťažnosti (~0,5 × 10⁻⁶/°C), rýchle zmeny teploty (napr. zahrievanie z izbovej teploty na vysoké teploty alebo ponorenie do ľadovej vody) môžu stále spôsobiť strmé lokálne teplotné gradienty. Tieto gradienty vedú k náhlej tepelnej rozťažnosti alebo kontrakcii, čo vytvára okamžité tepelné napätie. Bežným príkladom je lámanie laboratórnych kremenných výrobkov v dôsledku tepelného šoku.
2. Cyklická tepelná únava:
Keď je tavený kremeň vystavený dlhodobým, opakovaným teplotným výkyvom – napríklad vo výstelkách pecí alebo v priezoroch s vysokou teplotou – podlieha cyklickému rozťahovaniu a sťahovaniu. To vedie k akumulácii únavového napätia, urýchľuje starnutie a zvyšuje riziko praskania.
5. Chemicky vyvolaný stres
1. Korózne a rozpúšťacie napätie:
Keď sa tavený kremeň dostane do kontaktu so silnými alkalickými roztokmi (napr. NaOH) alebo kyslými plynmi s vysokou teplotou (napr. HF), dochádza k povrchovej korózii a rozpúšťaniu. To narúša štrukturálnu jednotnosť a vyvoláva chemické napätie. Napríklad alkalická korózia môže viesť k zmenám objemu povrchu alebo tvorbe mikrotrhlín.
2. Stres vyvolaný kardiovaskulárnymi ochoreniami:
Procesy chemického nanášania z pár (CVD), ktoré nanášajú povlaky (napr. SiC) na tavený kremeň, môžu zaviesť medzifázové napätie v dôsledku rozdielov v koeficientoch tepelnej rozťažnosti alebo moduloch pružnosti medzi týmito dvoma materiálmi. Počas chladenia môže toto napätie spôsobiť delamináciu alebo praskanie povlaku alebo substrátu.
6. Vnútorné chyby a nečistoty
1. Bubliny a inklúzie:
Zvyškové bubliny plynu alebo nečistoty (napr. kovové ióny alebo neroztavené častice) zavedené počas tavenia môžu slúžiť ako koncentrátory napätia. Rozdiely v tepelnej rozťažnosti alebo elasticite medzi týmito inklúziami a sklenenou matricou vytvárajú lokalizované vnútorné napätie. Trhliny často vznikajú na okrajoch týchto nedokonalostí.
2. Mikrotrhliny a štrukturálne chyby:
Nečistoty alebo chyby v surovine alebo z procesu tavenia môžu viesť k vnútorným mikrotrhlinám. Pri mechanickom zaťažení alebo tepelnom cyklovaní môže koncentrácia napätia na špičkách trhlín podporovať ich šírenie a znižovať integritu materiálu.
Čas uverejnenia: 4. júla 2025