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1、论文集均质石英玻璃退火工艺的研究王友军吴洁向在奎中国建筑材料科学研究院石英所摘要本文探讨了均质石英玻璃的退火机理,研究并得出退火工艺参数。关键词均质石英玻璃,退火机理,工艺参数。、一月舌石英玻璃以其高纯、耐高温、高的热稳定性、高的光透过、良好的化学稳定性和低的热膨胀等一系列优良的理化性能而成为一种重要的基础材料,广泛用于微电子、光纤通讯、激光、传感技术、仪器仪表等高新技术领域。近几年,随着科技的发展,石英玻璃在国防的应用越来越广,如在空间技术、雷达、核工程等领域已成为不可缺少的材料,对石英玻璃的质量要求越来越高,本文是针对核工
2、程要求而进行课题研究的部分工作。因该工程用石英玻璃元件的几何尺寸与图案是由氢氟酸腐蚀而成,要求该石英玻璃在受氢氟酸腐蚀后具有均匀的表面,为此石英玻璃需满足的条件之一即无应力,而常规工艺下制备的石英玻璃均存在着较大的热应力,严重影响其在高质量要求场合的应用,因此消除石英玻璃的应力对提高石英玻璃的质量具有很大的实际意义。石英玻璃中的应力分为两种,一是机加工切、车、磨过程中产生的机械应力,此应力通常用一的酸处理即可消除另一种是因热加工及热处理历史的变化而引起的热应力,此应力必须采用合理的热处理制度方可消除,本文论述的即是该类应力。二
3、、热处理退火机理玻璃的热处理是指在转变温度与应变温度之间进行的退火过程,旨在消除制备过程中产生的热应力,玻璃的热应力分为暂时应力和永久应力。当玻璃处于弹性形变范围内进行加热和冷却时,由于玻璃不是传热良导体,论文集在它的内外层之间会产生一定的温差从而产生热应力。这种应力随温度梯度而存在,随温度梯度的消失而消失,此应力称之为暂时应力,产生的原因如图所示。当开始冷却时,石英玻璃外层温度比内层温度低,外层的收缩受到较热内层的阻碍,从而使外层产生张应力、内层产生压应力,张应力过渡到压应力之间存在着一个应力层。当玻璃冷却结束时,外层不再收
4、缩,而玻璃内部仍然较热存在着收缩,但内层收缩受到了外层的阻碍而使内部存在张应力、外层产生压应力,由此可见冷却结束时产生的应力恰好与冷却开始时产生的应力大小相等、性质相反,两者逐步抵消,最后当冷却全部结束时,玻璃内外温度差完全消失应力也就随同消失。口布图暂时应力产生的机理示意图暂时应力计算公式如下△侧一林式一其中。一暂时应力以一与冷却温度相应的热膨胀系数论文集△一各层与中间层的温度差一玻璃的杨氏弹性模量林一玻璃的泊松比当温度均衡、温度梯度消失时,在玻璃中仍然存在着的应力为永久应力。当从高温冷却时,玻璃的内外层产生一定的温差,由于
5、在玻璃的转变温度区域’泊内,分子热运动能量较大,玻璃内部结构基团间可以产生位移变形使以往由温差而产生的内应力得以消失,此过程称为应力松弛,这时玻璃的。,”内外层虽然存在温差却不产生应力但是在温度相应的以下冷却时玻璃从粘滞塑性体逐渐地转化为弹性体,由温差所产生的内应力仅部分被。,”’松弛当温度冷却到应变点相应的泊以下玻璃内所产生的内应力相应为,一当进一步冷却使玻璃内外温差消除时此时应力值的变化应,,,力为也就是说温度均衡后留在玻璃中内应力为一一一这种应力即称为永久应力。永久应力产生的直接原因是在退火区域内应力松弛的结果。应力松弛
6、的程度取决于在此区域内的冷却速度、温度梯度、玻璃粘度及制品尺寸等。,从高温冷却下来要经过玻璃属非晶态没有固定的熔点一个转变温度区,二,”域区域的上限为玻璃的软化温度相应的泊下限为转变温度相应的”二”泊,在温度以下的相当范围内玻璃的分子仍能进行位移,可以,因此时玻璃粘度,消除玻璃中的热应力和结构状态的不均匀性已相当大以致其外形改变几乎测定不出来,此区域称之为玻璃的退火区域一即玻璃转变温度相应的月’泊为退火上限,玻璃完全处于弹性体状态对应的应变点温度。、’相应泊为退火下限为了减小和消除玻璃中的永久应力提高玻璃的光学均匀性,要将玻璃
7、放置在退火炉中在退火温度下保持足够长的时间再以缓慢的速度冷却下来,以便不再产生超过允许范围的永久应力和暂时应力。玻璃退火实质上是由两个过程组成的,其一是应力的减弱和消失,其二是防止产。,’生新的应力应力的消除是以应力的松弛为依据指出在某一温度下,应力与松弛时间呈指数变化关系一式一。其中为应力的初始值论文集和认为在退火温度范围内,玻璃的应力取决于给定温度一的保温时间一一式一其中为退火常数,。、为初始及经时间后的内应力。由此可见,应力松弛速度与给定的退火温度及在下的保温时间有关。在玻璃退火处理过程中控制冷却速度是另一重要的环节,和
8、提出了内应力与冷却速度的关系式一,见图。晚一入一林式一其中以一玻璃的膨胀系数,一玻璃的弹性模量,,入一玻璃的导热系数,林一玻璃的泊松比一冷,却速度一玻璃棒,的半径一所测点离中心的距离。厂厂厂飞飞图石英玻璃棒中应力径向分布示意图由式一可知在冷却过程中温度梯度的大小是产生内应力的
