1. Thermische Belastung während der Abkühlung (Hauptursache)
Quarzglas erzeugt unter ungleichmäßigen Temperaturbedingungen Spannungen. Bei jeder gegebenen Temperatur erreicht die Atomstruktur von Quarzglas eine relativ optimale räumliche Anordnung. Mit der Temperaturänderung verschiebt sich der Atomabstand entsprechend – ein Phänomen, das gemeinhin als thermische Ausdehnung bezeichnet wird. Wird Quarzglas ungleichmäßig erhitzt oder abgekühlt, kommt es zu einer ungleichmäßigen Ausdehnung.
Thermische Spannungen entstehen typischerweise, wenn sich heißere Bereiche ausdehnen wollen, aber durch umgebende kühlere Zonen daran gehindert werden. Dadurch entsteht Druckspannung, die normalerweise keine Schäden verursacht. Ist die Temperatur hoch genug, um das Glas zu erweichen, kann die Spannung abgebaut werden. Erfolgt die Abkühlung jedoch zu schnell, steigt die Viskosität rapide an, und die innere Atomstruktur kann sich nicht rechtzeitig an die sinkende Temperatur anpassen. Dies führt zu Zugspannungen, die viel eher zu Brüchen oder Materialversagen führen.
Diese Spannung verstärkt sich mit sinkender Temperatur und erreicht am Ende des Abkühlprozesses hohe Werte. Die Temperatur, bei der Quarzglas eine Viskosität von über 10⁴,⁶ Poise erreicht, wird als die Viskositätsgrenze bezeichnet.SpannungspunktAn diesem Punkt ist die Viskosität des Materials so hoch, dass die inneren Spannungen effektiv eingeschlossen werden und sich nicht mehr abbauen können.
2. Spannungen durch Phasenübergang und Strukturrelaxation
Metastabile Strukturrelaxation:
Im geschmolzenen Zustand weist Quarzglas eine stark ungeordnete Atomstruktur auf. Beim Abkühlen streben die Atome danach, sich in eine stabilere Konfiguration zu entspannen. Die hohe Viskosität des glasartigen Zustands behindert jedoch die atomare Bewegung, was zu einer metastabilen inneren Struktur und zur Erzeugung von Relaxationsspannungen führt. Diese Spannungen können sich mit der Zeit langsam abbauen, ein Phänomen, das als … bekannt ist.Glasalterung.
Kristallisationstendenz:
Wird Quarzglas über längere Zeit in bestimmten Temperaturbereichen (z. B. nahe der Kristallisationstemperatur) gehalten, kann es zur Mikrokristallisation kommen – beispielsweise zur Ausfällung von Cristobalit-Mikrokristallen. Die Volumenunterschiede zwischen kristallinen und amorphen Phasen führen zu …Phasenübergangsspannung.
3. Mechanische Belastung und äußere Kraft
1. Stress durch Verarbeitung:
Mechanische Kräfte, die beim Schneiden, Schleifen oder Polieren wirken, können zu Oberflächengitterverzerrungen und Prozessspannungen führen. Beispielsweise verursachen beim Schneiden mit einer Schleifscheibe lokale Wärme und mechanischer Druck an der Schneide Spannungskonzentrationen. Unsachgemäße Techniken beim Bohren oder Nuten können Spannungskonzentrationen an Kerben hervorrufen, die als Ausgangspunkte für Risse dienen.
2. Stress durch die Arbeitsbedingungen:
Wird Quarzglas als Konstruktionswerkstoff verwendet, kann es durch mechanische Belastungen wie Druck oder Biegung zu Spannungen im Makrobereich kommen. Beispielsweise kann Quarzglas beim Tragen schwerer Gegenstände Biegespannungen entwickeln.
4. Thermischer Schock und schnelle Temperaturschwankungen
1. Kurzzeitige Belastung durch schnelles Erhitzen/Abkühlen:
Obwohl Quarzglas einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (~0,5 × 10⁻⁶/°C) aufweist, können schnelle Temperaturänderungen (z. B. Erhitzen von Raumtemperatur auf hohe Temperaturen oder Eintauchen in Eiswasser) dennoch starke lokale Temperaturgradienten verursachen. Diese Gradienten führen zu plötzlicher thermischer Ausdehnung oder Kontraktion und damit zu kurzzeitigen thermischen Spannungen. Ein häufiges Beispiel hierfür ist das Brechen von Quarzglasgeräten im Labor durch einen Temperaturschock.
2. Zyklische thermische Ermüdung:
Bei langfristiger, wiederholter Temperatureinwirkung – wie beispielsweise in Ofenauskleidungen oder Hochtemperatur-Sichtfenstern – dehnt sich Quarzglas zyklisch aus und zieht sich wieder zusammen. Dies führt zu Ermüdungsspannungen, beschleunigt die Alterung und erhöht das Risiko von Rissen.
5. Chemisch induzierter Stress
1. Korrosions- und Auflösungsspannung:
Bei Kontakt von Quarzglas mit stark alkalischen Lösungen (z. B. NaOH) oder hochenergetischen sauren Gasen (z. B. HF) kommt es zu Oberflächenkorrosion und -auflösung. Dies beeinträchtigt die strukturelle Homogenität und führt zu chemischen Spannungen. So kann beispielsweise Alkalikorrosion zu Volumenänderungen an der Oberfläche oder zur Bildung von Mikrorissen führen.
2. Durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachter Stress:
Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), bei der Beschichtungen (z. B. SiC) auf Quarzglas aufgebracht werden, können aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten oder Elastizitätsmodule der beiden Materialien Grenzflächenspannungen entstehen. Diese Spannungen können beim Abkühlen zu Delaminationen oder Rissen in der Beschichtung oder im Substrat führen.
6. Innere Defekte und Verunreinigungen
1. Blasen und Einschlüsse:
Restgasblasen oder Verunreinigungen (z. B. Metallionen oder ungeschmolzene Partikel), die beim Schmelzen entstehen, können als Spannungskonzentratoren wirken. Unterschiede in der Wärmeausdehnung oder Elastizität zwischen diesen Einschlüssen und der Glasmatrix erzeugen lokale innere Spannungen. Risse entstehen häufig an den Rändern dieser Fehlstellen.
2. Mikrorisse und strukturelle Mängel:
Verunreinigungen oder Fehler im Rohmaterial oder im Schmelzprozess können zu inneren Mikrorissen führen. Unter mechanischer Belastung oder Temperaturwechselbeanspruchung kann die Spannungskonzentration an den Rissspitzen die Rissausbreitung fördern und die Materialintegrität verringern.
Veröffentlichungsdatum: 04.07.2025