1. Thermische Belastung beim Abkühlen (Hauptursache)
Quarzglas erzeugt unter ungleichmäßigen Temperaturbedingungen Spannungen. Bei jeder Temperatur erreicht die Atomstruktur von Quarzglas eine relativ optimale räumliche Konfiguration. Bei Temperaturänderungen verschiebt sich der Atomabstand entsprechend – ein Phänomen, das allgemein als Wärmeausdehnung bezeichnet wird. Wird Quarzglas ungleichmäßig erhitzt oder abgekühlt, kommt es zu einer ungleichmäßigen Ausdehnung.
Thermische Spannungen entstehen typischerweise, wenn heißere Bereiche versuchen, sich auszudehnen, aber durch umgebende kühlere Zonen daran gehindert werden. Dadurch entsteht Druckspannung, die in der Regel keine Schäden verursacht. Ist die Temperatur hoch genug, um das Glas zu erweichen, kann die Spannung abgebaut werden. Ist die Abkühlrate jedoch zu hoch, steigt die Viskosität schnell an, und die innere Atomstruktur kann sich nicht rechtzeitig an die sinkende Temperatur anpassen. Dies führt zu Zugspannungen, die mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit zu Brüchen oder Versagen führen.
Diese Spannung verstärkt sich mit sinkender Temperatur und erreicht am Ende des Abkühlungsprozesses hohe Werte. Die Temperatur, bei der Quarzglas eine Viskosität über 10^4,6 Poise erreicht, wird alsDehnungspunktAn diesem Punkt ist die Viskosität des Materials so hoch, dass die inneren Spannungen effektiv eingeschlossen werden und nicht mehr abgebaut werden können.
2. Spannungen durch Phasenübergang und Strukturrelaxation
Metastabile Strukturrelaxation:
Im geschmolzenen Zustand weist Quarzglas eine stark ungeordnete Atomanordnung auf. Beim Abkühlen neigen die Atome dazu, sich in eine stabilere Konfiguration zu entspannen. Die hohe Viskosität des glasartigen Zustands behindert jedoch die Atombewegung, was zu einer metastabilen inneren Struktur und Relaxationsspannungen führt. Mit der Zeit kann sich diese Spannung langsam lösen, ein Phänomen, das alsGlasalterung.
Kristallisationstendenz:
Wenn Quarzglas über längere Zeit in bestimmten Temperaturbereichen (z. B. nahe der Kristallisationstemperatur) gehalten wird, kann es zur Mikrokristallisation kommen, beispielsweise zur Ausfällung von Cristobalit-Mikrokristallen. Die volumetrische Diskrepanz zwischen kristallinen und amorphen Phasen erzeugtPhasenübergangsspannung.
3. Mechanische Belastung und äußere Krafteinwirkung
1. Stress durch die Verarbeitung:
Mechanische Kräfte beim Schneiden, Schleifen oder Polieren können zu Oberflächengitterverzerrungen und Bearbeitungsspannungen führen. Beispielsweise führen beim Schneiden mit einer Schleifscheibe lokale Hitze und mechanischer Druck an der Kante zu Spannungskonzentrationen. Unsachgemäße Bohr- oder Schlitztechniken können zu Spannungskonzentrationen an Kerben führen, die als Rissbildungspunkte dienen.
2. Belastungen durch Betriebsbedingungen:
Bei der Verwendung als Strukturmaterial kann Quarzglas durch mechanische Belastungen wie Druck oder Biegung makroskopischen Spannungen ausgesetzt sein. Beispielsweise kann Quarzglas bei der Aufnahme schwerer Inhalte Biegespannungen entwickeln.
4. Thermoschock und schnelle Temperaturschwankungen
1. Momentane Spannung durch schnelles Erhitzen/Abkühlen:
Obwohl Quarzglas einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (~0,5×10⁻⁶/°C) aufweist, können schnelle Temperaturwechsel (z. B. Erhitzen von Raumtemperatur auf hohe Temperaturen oder Eintauchen in Eiswasser) dennoch starke lokale Temperaturgradienten verursachen. Diese Gradienten führen zu einer plötzlichen thermischen Ausdehnung oder Kontraktion und erzeugen dadurch sofortige thermische Spannungen. Ein häufiges Beispiel ist das Brechen von Laborquarzwaren aufgrund eines Thermoschocks.
2. Zyklische thermische Ermüdung:
Bei längeren, wiederholten Temperaturschwankungen – wie beispielsweise in Ofenauskleidungen oder Hochtemperatur-Sichtfenstern – dehnt sich Quarzglas zyklisch aus und zieht sich wieder zusammen. Dies führt zur Akkumulation von Ermüdungsspannungen, beschleunigt die Alterung und erhöht die Gefahr von Rissen.
5. Chemisch induzierter Stress
1. Korrosions- und Lösungsspannung:
Kommt Quarzglas mit starken alkalischen Lösungen (z. B. NaOH) oder heißen sauren Gasen (z. B. HF) in Kontakt, kommt es zu Oberflächenkorrosion und -auflösung. Dies stört die strukturelle Gleichmäßigkeit und führt zu chemischem Stress. Beispielsweise kann Alkalikorrosion zu Oberflächenvolumenänderungen oder Mikrorissbildung führen.
2. Durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachter Stress:
Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), bei der Beschichtungen (z. B. SiC) auf Quarzglas abgeschieden werden, kann es aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten oder Elastizitätsmodule zu Grenzflächenspannungen kommen. Beim Abkühlen kann diese Spannung zur Delamination oder Rissbildung der Beschichtung oder des Substrats führen.
6. Innere Defekte und Verunreinigungen
1. Blasen und Einschlüsse:
Restgasblasen oder Verunreinigungen (z. B. Metallionen oder ungeschmolzene Partikel), die während des Schmelzens 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 Unregelmäßigkeiten.
2. Mikrorisse und Strukturfehler:
Verunreinigungen oder Fehler im Rohmaterial oder durch den Schmelzprozess können zu inneren Mikrorissen führen. Unter mechanischer Belastung oder Temperaturwechselbeanspruchung kann die Spannungskonzentration an den Rissspitzen die Rissausbreitung fördern und so die Materialintegrität beeinträchtigen.
Beitragszeit: 04.07.2025