1. الإجهاد الحراري أثناء التبريد (السبب الرئيسي)
يُولّد الكوارتز المُنصهر إجهادًا في ظل ظروف درجة حرارة غير مُنتظمة. عند أي درجة حرارة مُحددة، يصل التركيب الذري للكوارتز المُنصهر إلى تكوين مكاني "مثالي" نسبيًا. مع تغير درجة الحرارة، تتغير المسافات الذرية تبعًا لذلك - وهي ظاهرة تُعرف عادةً بالتمدد الحراري. عند تسخين أو تبريد الكوارتز المُنصهر بشكل غير مُتساوٍ، يحدث تمدد غير مُنتظم.
ينشأ الإجهاد الحراري عادةً عندما تحاول المناطق الأكثر حرارةً التمدد، لكنها تُقيّد بالمناطق الباردة المحيطة. يُولّد هذا إجهادًا ضاغطًا، والذي عادةً لا يُسبب ضررًا. إذا كانت درجة الحرارة مرتفعةً بما يكفي لتليين الزجاج، يُمكن تخفيف هذا الإجهاد. أما إذا كان معدل التبريد سريعًا جدًا، فتزداد اللزوجة بسرعة، ولا يستطيع الهيكل الذري الداخلي التكيف مع انخفاض درجة الحرارة في الوقت المناسب. يُنتج هذا إجهادًا شديًا، وهو أكثر عرضة للتسبب في الكسور أو التلف.
يزداد هذا الضغط مع انخفاض درجة الحرارة، ليصل إلى مستويات عالية في نهاية عملية التبريد. تُعرف درجة الحرارة التي يصل عندها زجاج الكوارتز إلى لزوجة أعلى من 10^4.6 بواز باسمنقطة الانفعالفي هذه المرحلة، تصبح لزوجة المادة عالية جدًا بحيث يصبح الضغط الداخلي محصورًا بشكل فعال ولا يمكن أن يتبدد بعد الآن.
2. الإجهاد الناتج عن انتقال الطور والاسترخاء الهيكلي
الاسترخاء الهيكلي غير المستقر:
في الحالة المنصهرة، يُظهر الكوارتز المنصهر ترتيبًا ذريًا شديد الفوضى. عند التبريد، تميل الذرات إلى الاسترخاء نحو تكوين أكثر استقرارًا. ومع ذلك، فإن اللزوجة العالية للحالة الزجاجية تعيق حركة الذرات، مما ينتج عنه بنية داخلية شبه مستقرة ويولد إجهاد استرخاء. بمرور الوقت، قد يتحرر هذا الإجهاد ببطء، وهي ظاهرة تُعرف باسمشيخوخة الزجاج.
اتجاه التبلور:
إذا تم الحفاظ على الكوارتز المنصهر ضمن نطاقات درجات حرارة معينة (مثل درجة حرارة قريبة من درجة حرارة التبلور) لفترات طويلة، فقد يحدث تبلور دقيق - على سبيل المثال، ترسب بلورات الكريستوباليت الدقيقة. يؤدي عدم التوافق الحجمي بين الطور البلوري والطور غير المتبلور إلىإجهاد انتقال الطور.
3. الحمل الميكانيكي والقوة الخارجية
1. الإجهاد الناتج عن المعالجة:
يمكن للقوى الميكانيكية المطبقة أثناء القطع أو الطحن أو التلميع أن تُسبب تشوهًا في الشبكة السطحية وإجهادًا في المعالجة. على سبيل المثال، أثناء القطع باستخدام عجلة الطحن، تُسبب الحرارة الموضعية والضغط الميكانيكي عند الحافة تركيزًا للإجهاد. كما أن التقنيات غير السليمة في الحفر أو التثقيب قد تؤدي إلى تركيز الإجهاد عند الشقوق، مما يُشكل نقاط بداية التشقق.
2. الضغوط الناجمة عن ظروف الخدمة:
عند استخدامه كمادة هيكلية، قد يتعرض الكوارتز المصهور لإجهادات كبيرة نتيجةً للأحمال الميكانيكية كالضغط أو الانحناء. على سبيل المثال، قد تتعرض الأواني الزجاجية المصنوعة من الكوارتز لإجهادات انحناء عند حملها لمحتويات ثقيلة.
4. الصدمة الحرارية والتقلب السريع في درجات الحرارة
1. الإجهاد اللحظي الناتج عن التسخين/التبريد السريع:
على الرغم من أن الكوارتز المنصهر يتميز بمعامل تمدد حراري منخفض جدًا (~0.5×10⁻⁶/°م)، إلا أن التغيرات السريعة في درجات الحرارة (مثل التسخين من درجة حرارة الغرفة إلى درجات حرارة عالية، أو الغمر في الماء المثلج) قد تُسبب تدرجات حرارة محلية حادة. تُؤدي هذه التدرجات إلى تمدد أو انكماش حراري مفاجئ، مما يُنتج إجهادًا حراريًا فوريًا. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك تكسر أواني الكوارتز المختبرية بسبب الصدمة الحرارية.
2. التعب الحراري الدوري:
عند تعرضه لتقلبات درجات الحرارة المتكررة وطويلة الأمد، كما هو الحال في بطانات الأفران أو نوافذ العرض عالية الحرارة، يتعرض الكوارتز المنصهر لتمدد وانكماش دوريين. يؤدي هذا إلى تراكم إجهاد التعب، وتسريع الشيخوخة، وخطر التشقق.
5. الإجهاد الناتج عن المواد الكيميائية
1. إجهاد التآكل والانحلال:
عند ملامسة الكوارتز المنصهر لمحاليل قلوية قوية (مثل هيدروكسيد الصوديوم) أو غازات حمضية عالية الحرارة (مثل حمض الهيدروفلوريك)، يحدث تآكل سطحي وذوبان. هذا يُخلّ بالتجانس الهيكلي ويُحفّز إجهادًا كيميائيًا. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التآكل القلوي إلى تغيرات في حجم السطح أو تكوّن شقوق دقيقة.
2. الإجهاد الناجم عن أمراض القلب والأوعية الدموية:
يمكن لعمليات الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) التي تُرسب فيها الطلاءات (مثل كربيد السيليكون) على الكوارتز المنصهر أن تُسبب إجهادًا سطحيًا نتيجةً لاختلاف معاملات التمدد الحراري أو معامل المرونة بين المادتين. أثناء التبريد، قد يُسبب هذا الإجهاد انفصالًا أو تشققًا في الطلاء أو الطبقة السفلية.
6. العيوب الداخلية والشوائب
1. الفقاعات والشوائب:
يمكن لفقاعات الغاز المتبقية أو الشوائب (مثل الأيونات المعدنية أو الجسيمات غير المذابة) التي تُدخل أثناء الصهر أن تُشكل مُركّزات للإجهاد. تُؤدي الاختلافات في التمدد الحراري أو المرونة بين هذه الشوائب ومصفوفة الزجاج إلى إجهاد داخلي موضعي. غالبًا ما تبدأ الشقوق عند حواف هذه العيوب.
2. الشقوق الدقيقة والعيوب الهيكلية:
قد تؤدي الشوائب أو العيوب في المادة الخام أو الناتجة عن عملية الصهر إلى تشققات دقيقة داخلية. وتحت تأثير الأحمال الميكانيكية أو الدورة الحرارية، قد يُعزز تركيز الإجهاد عند أطراف التشقق انتشاره، مما يُضعف سلامة المادة.
وقت النشر: 4 يوليو 2025