1. 冷却時の熱応力（主な原因）
溶融石英は、不均一な温度条件下では応力を生じます。任意の温度において、溶融石英の原子構造は比較的「最適な」空間配置に達します。温度が変化すると、原子間隔もそれに応じて変化します。この現象は一般に熱膨張と呼ばれます。溶融石英が不均一に加熱または冷却されると、不均一な膨張が発生します。
熱応力は、通常、高温領域が膨張しようとする際に周囲の低温領域によって拘束されるときに発生します。これにより圧縮応力が生じますが、通常は損傷を引き起こしません。ガラスが軟化するのに十分高い温度であれば、この応力は緩和されます。しかし、冷却速度が速すぎると、粘度が急激に上昇し、内部の原子構造が温度低下に間に合わなくなります。その結果、引張応力が生じ、破損や破損につながる可能性が高くなります。
このような応力は温度が下がるにつれて増大し、冷却過程の終わりには高いレベルに達します。石英ガラスの粘度が10^4.6ポアズを超える温度は、ひずみ点この時点では、材料の粘度が非常に高いため、内部応力が効果的に固定され、消散できなくなります。
2. 相転移と構造緩和による応力
準安定構造緩和：
溶融石英は、溶融状態では原子配列が非常に乱雑です。冷却すると、原子はより安定した構造へと緩和する傾向があります。しかし、ガラス状態の高い粘性により原子の動きが妨げられ、結果として内部構造が準安定状態となり、緩和応力が発生します。この応力は時間の経過とともに徐々に解放される可能性があり、この現象は緩和応力と呼ばれます。ガラスの老化.
結晶化傾向:
溶融石英を特定の温度範囲（例えば結晶化温度付近）に長時間保持すると、微結晶化（例えばクリストバライト微結晶の析出）が起こることがあります。結晶相と非晶質相の体積比の不一致により、相転移応力.
3. 機械的負荷と外力
1. 処理によるストレス：
切断、研削、研磨中に加わる機械的な力は、表面の格子歪みや加工応力を引き起こす可能性があります。例えば、研削ホイールによる切削では、刃先における局所的な熱と機械的圧力によって応力集中が生じます。また、穴あけや溝入れ加工において不適切な技術を用いると、ノッチ部に応力集中が生じ、ひび割れの発生源となる可能性があります。
2. 勤務条件によるストレス：
構造材料として使用する場合、溶融石英は圧力や曲げといった機械的負荷によりマクロスケールの応力を受ける可能性があります。例えば、石英ガラス製品は重い内容物を保持すると曲げ応力を生じることがあります。
4. 熱衝撃と急激な温度変動
1. 急速加熱・急速冷却による瞬間応力：
溶融石英の熱膨張係数は非常に低い（約0.5×10⁻⁶/°C）ものの、急激な温度変化（例：室温から高温への加熱、氷水への浸漬）により、局所的に急激な温度勾配が生じる可能性があります。こうした温度勾配は急激な熱膨張または収縮を引き起こし、瞬間的な熱応力を発生させます。一般的な例としては、実験室で使用されている石英製品が熱衝撃によって破損するケースが挙げられます。
2. 周期的熱疲労：
溶融石英は、炉のライニングや高温の覗き窓など、長期間にわたり繰り返し温度変動にさらされると、周期的な膨張と収縮を起こします。これにより疲労応力が蓄積され、劣化が加速し、ひび割れのリスクが高まります。
5. 化学物質によるストレス
1. 腐食および溶解応力：
溶融石英が強アルカリ溶液（例：NaOH）または高温の酸性ガス（例：HF）に接触すると、表面腐食と溶解が発生します。これにより構造の均一性が損なわれ、化学応力が発生します。例えば、アルカリ腐食は表面の体積変化や微小亀裂の形成につながる可能性があります。
2. CVD誘発ストレス：
溶融石英上にコーティング（例：SiC）を堆積する化学蒸着（CVD）プロセスでは、2つの材料の熱膨張係数または弾性率の差により界面応力が生じる可能性があります。冷却中にこの応力により、コーティングまたは基板の剥離やひび割れが発生する可能性があります。
6. 内部欠陥と不純物
1. 気泡と内包物：
溶融時に混入した残留気泡や不純物（金属イオンや未溶融粒子など）は、応力集中源となる可能性があります。これらの介在物とガラス母材の熱膨張率や弾性率の差により、局所的な内部応力が発生します。ひび割れは、多くの場合、これらの欠陥の端から発生します。
2. 微小亀裂と構造上の欠陥：
原材料や溶解工程における不純物や欠陥は、内部に微小亀裂を引き起こす可能性があります。機械的負荷や熱サイクルを受けると、亀裂先端への応力集中が亀裂の伝播を促進し、材料の完全性を損なう可能性があります。
投稿日時: 2025年7月4日