Влияние процесса термообработки на качество поверхности изделий из кварцевого стекла.

Долапчи С.М.¹, Денисова О.А.²

¹ ORCID: 0000-0001-9609—5937, Южно-Уральский институт управления и экономики

²ORCID: 0000-0001-6374-3109, доктор физико-математических наук, доцент,

Уфимский государственный нефтяной технический университет

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

Аннотация

Основу прочной поверхности в силикатных стёклах составляют кремнекислородные тетраэдры, являющиеся наноструктурами для макрообразований, которые называются глобулами. Чем меньше размер глобул, тем прочнее поверхность, так как между ними образуется большее количество силоксановых связей. Данный фактор влияет на качество поверхности изделия, что улучшает индуктивность контура резонатора, следовательно, повышает коэффициент добротности. Размер глобул обеспечивает технология отжига. Процесс отпуска происходит при градиенте температур 300^оС в час. Дальнейшее изменение температуры охлаждения ведёт к образованию трещин. Опыты, проведённые с помощью метода Виккерса и метода лежачей капли на дистиллированной воде и глицерине показали, что наибольшая прочность поверхности достигается в резонаторах, отожжённых в диапазоне температур 950 – 1080^оС, а коэффициент добротности принимает максимальное значение.

Ключевые слова: энергия Гиббса, объёмная энергия, поверхностная энергия, отжиг, силоксановая связь, кремнекислородные тетраэдры, натрий, прочность, упругость, глобула, энтальпия, энтропия.

Dolapchi S.M.¹, Denisova O.A.²

¹ORCID: 0000-0001-9609-5937, South Ural Institute of Management and Economics

²ORCID: 0000-0001-6374-3109, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Ufa State Petroleum Technological University

INFLUENCE OF THE THERMO-PROCESSING PROCESS ON QUALITY OF SURFACE OF QUARTZ GLASS PRODUCTS

Annotation

The basis of a strong surface in silicate glasses is silicon-oxygen tetrahedra, which are nanostructures for macro-formations, which are called globules. The smaller the size of the globules, the stronger the surface, since more siloxane bonds are formed between them. This factor affects the quality of the surface of the product, which improves the inductance of the resonator circuit, therefore, increases the Q - factor. The size of globules is provided by annealing technology. The tempering process takes place at a temperature gradient of 300°C per hour. A further change in the cooling temperature leads to the formation of cracks. Experiments carried out with the help of the Vickers method and the method of a recumbent drop on distilled water and glycerin showed that the greatest strength of the surface is achieved in resonators annealed in the temperature range 950 - 1080°C, and the Q factor assumes the maximum value.

Key words: Gibbs energy, bulk energy, surface energy, annealing, siloxane bond, silicon-oxygen tetrahedra, sodium, strength, elasticity, globule, enthalpy, entropy.

Большую роль в упрочнении поверхности изделии из кварцевого стекла играет такой вид термообработки как отжиг [1, 2]. Подбирая различные температурные режимы, можно добиваться различного размера глобул от 10 до 300 мкм. Перед нами стояла задача получить наиболее прочную силоксановую поверхность механических резонаторов, используемых в авиационной и космической отрасли. Для этой цели была разработана индукционная печь, управляемая микроконтроллером, и обеспечивающая равномерный градиент температур по всей поверхности изделия. Стекло кварцевое ультрафиолетовое КУ-1 (содержание натрия менее 1%) получают из кварцевого видимого стекла (КВ). Стёкла КУ-1 пропускают ультрафиолетовое излучение, КВ – нет. Резонатор представлял собой полусферу с внешним диаметром 20 мм и толщиной 2 мм, изготовленную из стекла КУ-1. Восемь резонаторов, выполненных по нашей технологии, показали коэффициент добротности (10 – 22) миллионов единиц.

Образцы для исследования изготавливали из кварцевого стекла марки КУ-1 первой категории производства ОАО «ТехноКварц». При термической обработке одну из пластин не подвергали отжигу, остальные прокаливали при температуре 900, 950, 1000, 1025, 1050, 1080, 1100, 1125, 1200, 1300^оС в течение 5 часов, 3 часов прогрева и 3 часов отпуска.

Исследование поверхности на микротвёрдость проводилось с помощью микротвёрдомера ПМТ-3 с алмазным индентором в виде пирамидки Виккерса с углом при вершине 136^о. Этот метод не разрушает образец, исследование проводится до глубины 10 - 30 мкм.

В качестве экспресс метода использовали метод лежачей капли. При помощи компьютера и микроскопа МИИ – 4М х 500, оснащенного видео окуляром, соединённых USB - шиной, замеряли высоту капли и диаметр её основания, количество пикселей на полученных микрофотографиях определяли при помощи программы TSview v7.3.1.7. Микрофотографии для каждого образца делали через 1, 3, 5, 10 минут. Высоту капли и диаметр ее основания брали как среднее по трём измерениям. Погрешность измерений оставила не более ±0,3 градуса. Для увеличения точности измерения, использовали жидкости с разным коэффициентом поверхностного натяжения для дистиллированной воды σ_в = 71,96 MH/м и для глицерина σ_г = 59,4 MH/м.

Для ускоренной обработки результатов использовали компьютерную программу [3], написанную на языке Delphi 7.0 и выдающую следующую информацию по образцу: температуру отжига по шкале Цельсия; среднее квадратическое отклонение; среднюю квадратическую ошибку выборки; величину угла в градусах; доверительный интервал; доверительную вероятность; коэффициент Стьюдента.

Согласно теории свободной энергии Гиббса, размер глобул будет зависеть от градиента температур при охлаждении [4:

(1)

где G_s – поверхностная энергия Гиббса, Дж/м²; G_V – объёмная энергия Гиббса, Дж/м³; d – размер зародышей глобул, м; α – удельная поверхностная энергия, Дж/м²; q – удельная теплота плавления, Дж/м³; T_o – температура фазового перехода, К; Т - градиент температур при охлаждении, К.

При температуре ТТ_o, происходит рост кластера, который достигает критических размеров d_i, а при d₄ наступает термодинамическое равновесие, образуется область твёрдой фазы, которая отделяется от жидкой фазы поверхностью. На данном участке переохлаждение расплава падает до нуля, рост частицы прекращается и она становится глобулой в твёрдом состоянии со своей поверхностью и объёмом. Размер глобулы определяется переохлаждением расплава ∆T и остается постоянным для данных термодинамических условий. При другой скорости охлаждения меняются условия и образуются твёрдые частицы другой массы и размеров. Согласно внешним условиям создаётся изоморфный ряд d₁, d₂, d₃, d₄ глобул. На рис. 1 показана схема формирования размера глобул d_i в зависимости от переохлаждения расплава dT.

Из формулы (1) следует, что с увеличением температуры охлаждения диаметр глобул будет уменьшаться, что отражено на рис. 1. Глобула будет сформированной, когда поверхностная и объёмная энергия сравняются, то есть процесс стабилизируется. Диаметр можно посчитать с помощью программы [5], он составляет от 10 до 300 мкм.

Рис. 1 - Схема формирования размера глобул d_i в зависимости от переохлаждения расплава dT

Знак свободной энергии Гиббса определяет направление процесса: при G  происходит процесс кристаллизации, а при G0 происходит процесс растворения. Следовательно,