Le tube de quartz , en tant que matériau industriel haute performance, possède une large gamme d'applications dans la fabrication de semi-conducteurs, l'optoélectronique, le génie chimique, les champs d'équipement médical et de laboratoire. Son avantage principal réside dans sa capacité à résister à des températures élevées et à des pressions spécifiques, mais ses performances spécifiques sont affectées par la pureté des matériaux, la technologie de traitement et l'environnement d'utilisation.

Caractéristiques de base des matériaux de quartz

Le composant principal du tube de quartz est le dioxyde de silicium à haute pureté (SiO ₂), et ses propriétés physiques déterminent sa limite de performance:

Point de fusion: le point de fusion du quartz pur est de 1713 ℃, mais dans des applications pratiques, il est généralement contrôlé entre 1100 et 1450 ℃ pour une utilisation à long terme en raison d'impuretés telles que les oxydes métalliques et les groupes hydroxyle.

Coefficient de dilatation thermique: extrêmement faible (0,55 × 10 ⁻⁶ / ℃), mais des gradients de température soudains peuvent entraîner une rupture de contrainte thermique.

Stabilité chimique: résistant aux acides (sauf l'acide hydrofluorique), peut réagir avec des substances alcalines à des températures élevées.

Résistance mécanique: La résistance à la compression peut atteindre 800-1000MPA, mais la résistance à la traction n'est que de 48 à 50 MPA, indiquant une forte fragilité.

Analyse profonde de la limite de tolérance à la température

(1) température extrême à court terme

Valeur théorique: Dans un environnement sous vide pur, les tubes de quartz peuvent résister à des températures élevées près de 1700 ℃ pendant une courte période (comme l'emballage de fil de tungstène dans les lampes au xénon).

Contraintes réelles:

Environnement gazier: l'oxygène au-dessus de 1000 ℃ accélère la rupture des liaisons d'oxygène au silicium à la surface du quartz, entraînant le phénomène de 'perte de perméabilité ';

Taux de chauffage: chauffage supérieur à 100 ℃ / min peut provoquer une rupture de choc thermique;

Impact de l'impureté: pour chaque augmentation de 10 ppm de la teneur en hydroxyle (- OH), la température d'utilisation à long terme doit être réduite d'environ 20 ℃.

Renforcement des processus spéciaux:

Traitement de dopage: l'ajout de 0,5 à 1,5% de titane, de germanium et d'autres éléments peut augmenter le point d'adoucissement à 1650 ℃;

Revêtement de surface: le revêtement SIC peut prolonger la durée de vie de 3 à 5 fois à 1400 ℃.

Évaluation multidimensionnelle de la tolérance au stress

(1) Limite de pression statique

Résistance à la compression: les tubes en quartz de haute qualité peuvent résister aux pressions internes de 100-150 MPA (équivalent à une profondeur d'eau de 1000 mètres), mais sont affectées par les facteurs suivants:

Lorsque le rapport du diamètre du tuyau à l'épaisseur de la paroi est supérieur à 30, le risque de flambement augmente considérablement;

Effet de couplage de la température: pour chaque augmentation de 100 ℃, la résistance à la compression diminue d'environ 8%;

Fatigue cyclique: Lorsque l'amplitude de la fluctuation de la pression dépasse 30% de la valeur nominale, la durée de vie est raccourcie de plus de 50%.

(2) stress dynamique et fatigue

Test de pression alternée: À une fréquence de 80 MPa et 0,1 Hz, la durée de vie d'un tube de quartz ordinaire est d'environ 10 cycles;

Tolérance aux ondes de choc: il peut résister aux ondes de choc inférieures à 0,5 MPa, mais une couche tampon doit être installée à l'extérieur du tuyau.

Mode de défaillance et avertissement de détection

(1) Modes de défaillance principaux

Rupture de choc thermique: un changement de température soudain dépassant la limite de déformation du matériau;

Déformation de fluage: déformation plastique causée par une compression à long terme à des températures élevées;

Corrosion chimique: comme le gaz HF corrodant rapidement la paroi du tuyau supérieur à 400 ℃;

Fracture de la fatigue: propagation en microcasse causée par le cycle de pression.

(2) Méthodes de test non destructrices

Imagerie thermique infrarouge: détection de la distribution de température anormale;

Surveillance des émissions acoustiques: capturer des ondes de contrainte générées par les microfissures;

Mesure de l'interférométrie laser: surveillance en temps réel de la déformation du tuyau.

(3) Modèle de prédiction de la vie

La méthode des paramètres de Larson Miller (P = T (C + Logt)) est utilisée pour l'évaluation de la vie, où:

P est la constante de matériau (environ 20 pour le quartz)

T est la température absolue (k)

T est le temps de fracture (en heures)

Suggestions d'utilisation et d'optimisation sûres

Contrôle de la température:

Taux de chauffage <50 ℃ / min, taux de refroidissement <30 ℃ / min;

Configurez une zone de tampon de gradient de température (longueur> 5 fois le diamètre du tuyau);

Gestion du stress:

Il est recommandé de contrôler la pression de fonctionnement en dessous de 70% de la valeur nominale;

Évitez les changements de pression soudains dépassant 1MPa / min;

Sélection des matériaux:

La silice fusionnée est préférée dans un environnement à haute température (＞ 1200 ℃);

Envisagez de synthétiser le quartz (comme le suprasil) dans des environnements avec de forts milieux corrosifs;

Conception structurelle:

Adopter une structure de boîtier à double couche pour réduire la contrainte thermique;

Ajoutez des anneaux de support en céramique aux zones clés.

La limite de performance des tubes en quartz est l'intersection de la science des matériaux, de la thermodynamique et des pratiques d'ingénierie. En contrôlant avec précision les paramètres d'utilisation, en optimisant des formulations de matériaux et en introduisant une technologie de surveillance intelligente, il y a encore une place importante à l'amélioration de ses performances dans des conditions de travail extrêmes. Dans les applications pratiques, il est recommandé d'établir une base de données de matériaux basée sur des conditions de travail spécifiques et de déterminer la fenêtre de fonctionnement sûre grâce à des tests de vie accélérés pour tirer pleinement parti des avantages à haute température et à haute pression des matériaux de quartz.

Luverre Quartz peut fabriquer des tubes de quartz personnalisés dans diverses formes, tels que la spirale, le carré, le rond, avec un traitement comprenant la coupe, la flexion, le soudage, etc., et disponible en différentes couleurs, tels que les tubes de quartz en quartz, des tubes à quartz blancs, et ainsi.