1. Contrainte thermique pendant le refroidissement (cause principale)
Le quartz fondu génère des contraintes dans des conditions de température non uniformes. À toute température donnée, la structure atomique du quartz fondu atteint une configuration spatiale relativement « optimale ». Lorsque la température varie, l'espacement atomique se déplace en conséquence – un phénomène communément appelé dilatation thermique. Lorsque le quartz fondu est chauffé ou refroidi de manière inégale, une dilatation non uniforme se produit.
Les contraintes thermiques apparaissent généralement lorsque des régions plus chaudes tentent de se dilater, mais sont contraintes par les zones plus froides environnantes. Cela crée une contrainte de compression, qui n'endommage généralement pas le verre. Si la température est suffisamment élevée pour ramollir le verre, la contrainte peut être relâchée. En revanche, si la vitesse de refroidissement est trop rapide, la viscosité augmente rapidement et la structure atomique interne ne peut s'adapter à la baisse de température. Il en résulte une contrainte de traction, beaucoup plus susceptible de provoquer des fractures ou des ruptures.
Ces contraintes s'intensifient à mesure que la température baisse, atteignant des niveaux élevés en fin de refroidissement. La température à laquelle le verre de quartz atteint une viscosité supérieure à 10^4,6 poises est appeléepoint de déformationÀ ce stade, la viscosité du matériau est si élevée que la contrainte interne est effectivement bloquée et ne peut plus se dissiper.
2. Contrainte due à la transition de phase et à la relaxation structurelle
Relaxation structurelle métastable :
À l'état fondu, le quartz fondu présente une disposition atomique très désordonnée. Lors du refroidissement, les atomes ont tendance à se détendre et à adopter une configuration plus stable. Cependant, la forte viscosité de l'état vitreux entrave le mouvement atomique, ce qui entraîne une structure interne métastable et génère une contrainte de relaxation. Au fil du temps, cette contrainte peut être progressivement relâchée, un phénomène appelévieillissement du verre.
Tendance à la cristallisation :
Si le quartz fondu est maintenu dans certaines plages de température (par exemple, à proximité de la température de cristallisation) pendant des périodes prolongées, une microcristallisation peut se produire, par exemple la précipitation de microcristaux de cristobalite. L'inadéquation volumétrique entre les phases cristalline et amorphe créecontrainte de transition de phase.
3. Charge mécanique et force externe
1. Stress lié au traitement :
Les forces mécaniques appliquées lors de la coupe, du meulage ou du polissage peuvent introduire une distorsion du réseau de surface et des contraintes d'usinage. Par exemple, lors de la coupe avec une meule, la chaleur localisée et la pression mécanique sur le bord induisent une concentration de contraintes. Des techniques de perçage ou de rainurage inappropriées peuvent entraîner des concentrations de contraintes au niveau des entailles, qui servent de points d'amorçage de fissures.
2. Stress dû aux conditions de service :
Utilisé comme matériau de structure, le quartz fondu peut être soumis à des contraintes à grande échelle dues à des charges mécaniques telles que la pression ou la flexion. Par exemple, la verrerie en quartz peut développer des contraintes de flexion lorsqu'elle contient des objets lourds.
4. Choc thermique et fluctuation rapide de température
1. Stress instantané dû au chauffage/refroidissement rapide :
Bien que le quartz fondu ait un coefficient de dilatation thermique très faible (~0,5 × 10⁻⁶/°C), des variations rapides de température (par exemple, un chauffage de la température ambiante à des températures élevées ou une immersion dans de l'eau glacée) peuvent néanmoins provoquer des gradients de température locaux importants. Ces gradients entraînent une dilatation ou une contraction thermique soudaine, produisant une contrainte thermique instantanée. Un exemple courant est la fracture d'un objet en quartz de laboratoire due à un choc thermique.
2. Fatigue thermique cyclique :
Lorsqu'il est exposé à des fluctuations de température répétées et prolongées, comme dans les revêtements de fours ou les hublots d'observation à haute température, le quartz fondu subit des dilatations et des contractions cycliques. Cela entraîne une accumulation de contraintes de fatigue, un vieillissement accéléré et un risque de fissuration.
5. Stress induit chimiquement
1. Contrainte de corrosion et de dissolution :
Lorsque le quartz fondu entre en contact avec des solutions fortement alcalines (par exemple, NaOH) ou des gaz acides à haute température (par exemple, HF), une corrosion et une dissolution de surface se produisent. Cela perturbe l'uniformité structurelle et induit des contraintes chimiques. Par exemple, la corrosion alcaline peut entraîner des modifications du volume de surface ou la formation de microfissures.
2. Stress induit par les maladies cardiovasculaires :
Les procédés de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) qui déposent des revêtements (par exemple, du SiC) sur du quartz fondu peuvent introduire des contraintes interfaciales dues aux différences de coefficients de dilatation thermique ou de modules d'élasticité entre les deux matériaux. Lors du refroidissement, ces contraintes peuvent provoquer un délaminage ou une fissuration du revêtement ou du substrat.
6. Défauts internes et impuretés
1. Bulles et inclusions :
Les bulles de gaz résiduelles ou les impuretés (par exemple, des ions métalliques ou des particules non fondues) introduites lors de la fusion peuvent servir de concentrateurs de contraintes. Les différences de dilatation thermique ou d'élasticité entre ces inclusions et la matrice vitreuse créent des contraintes internes localisées. Des fissures apparaissent souvent aux bords de ces imperfections.
2. Microfissures et défauts structurels :
Des impuretés ou des défauts présents dans la matière première ou issus du processus de fusion peuvent entraîner des microfissures internes. Sous l'effet de charges mécaniques ou de cycles thermiques, la concentration de contraintes à l'extrémité des fissures peut favoriser leur propagation et réduire l'intégrité du matériau.
Date de publication : 04/07/2025