Въведение
Кварцът, наричан още нискотемпературен кварц или α-кварц, е минерал с химичен състав SiO2 и тригонална симетрия. На повърхността на Земята той е стабилната форма на силициевия диоксид и един от най-често срещаните минерали в континенталната кора. Среща се като скалообразуващ материал както в мантията, така и в земната кора. [1]
Кварцовите подпочвени материали влияят върху тектонското поведение, тъй като пренасят сеизмични вълни в зависимост от динамичните си механични и термични свойства [2].
При 573 °C и при нормално налягане нискотемпературната модификация се променя от тригонална в хексагонална (високотемпературна модификация). Тази промяна в модификацията е изместваща, много бърза и обратима. По време на този процес физичните свойства (обем, топлопроводност, динамично-механични параметри и т.н.) се променят значително, което позволява тази температура на трансформация да се използва за температурно калибриране. [3]
Друга характеристика на кварца е неговата устойчивост на кислород до високи температури. Това е ценено свойство, което опростява работата с него в практиката. Не са необходими прочистващи газове. [4]
Естествените кварцови кристали се състоят от Si и O2, които образуват връзки от тетраедри [SiO4]4 . Други елементи присъстват само в следи в кристалната решетка.
Кварцовите монокристали се отличават с характерна анизотропия в оптичните и механичните еластични свойства, наред с други. Ако обаче материалът се състои от множество различно ориентирани индивидуални кристали, анизотропията значително отслабва при по-слабо изразена предпочитана ориентация на отделните кристалити. Много преходни форми се срещат между макроскопично изотропни кварцови мултикристали и силно анизотропни синтетични монокристали. Спектърът варира например от аморфно силициево стъкло (= кварцово стъкло) до пясъчник [съдържание на кварц над 50 % и кварцити, НЕсвързани чрез синтероване (скали с високо съдържание на кварц ≈98 %+, но със синтеровани кварцови кристали)] и от скален кристал като естествен вариант на монокристал до синтетичен кварцов монокристал, който се използва широко.
Например кварцовите монокристали отдавна се използват като осцилиращи кристали (таймери) или запалки поради техните пиезоелектрически и оптични свойства. В микроелектрониката кварцовите кристали се прилагат като диелектрични слоеве в транзистори, кондензатори и твърди маски във фотолитографията, а освен това и като микроелектромеханични системи (МЕМС) за промишлени и биомедицински приложения. [5]
За използването на силно анизотропни кварцови монокристали за калибриране на температурата във високотемпературната ДМА (HT Eplexor®) са необходими някои предпазни мерки поради ясно изразената анизотропия. Естествено увеличаващото се термично разширение по време на температурна амплитуда (напр. температурна рампа със скорост 10 K/min) води до вътрешни механични напрежения в кварца. Ако кварцовият образец е допълнително изложен на температурен градиент в измервателната камера (HT пещ), тези вътрешни напрежения неизбежно ще доведат до напукване или счупване на образеца. Поради това е необходимо температурният градиент в пещта да се поддържа възможно най-нисък, като се вземат подходящи мерки.
HT Eplexor®, оборудван с отделна камера за проби и допълнителен температурен щит, отговаря на тези изисквания. По този начин фазовото преобразуване при 573 °C може да се извърши дори няколко пъти върху една и съща проба, без да се разруши пробата поради температурния градиент. Една от конструктивните мерки е обособяването на област в камерата на пещта с добър топлопроводим цилиндричен защитен щит около пробата.
Експериментален
Без тези допълнителни мерки за намаляване на топлинните градиенти саморазрушаването на образеца от кварцова пластинка се извършва редовно дори без приложено тестово натоварване (фигура 1). Това се дължи на твърде големи температурни градиенти large в обхвата на образеца.
За хомогенизиране на температурното разпределение и за намаляване на температурния градиент в образеца се използва цилиндричен температурен щит, изработен от мед (фигура 2, ляво), който обхваща сапфирения държач за огъване (ляво) и буталото, действащо кардинално върху образеца (фигура 2, дясно) на половин височина. Силовите оси, вградени в HT Eplexor®, се състоят от поликристален Al2O3.
Силовите оси са проектирани като 3-точкови държачи за огъване (разстояние между лагерите тук е 20 mm). Като система за поддържане на образеца се използва кубовиден сапфирен носител с широчина 15 mm, височина 7 mm и дължина приблизително 50 mm. От горната страна на носителя две сапфирени ролки поддържат образците в предварително определени позиции, които са много подходящи. По този начин разстоянието между ролките може да се избере на стъпки от 5 mm, което позволява триточковите опори за огъване да бъдат разположени на разстояние от 10 до 35 mm. Третата сапфирена ролка се поставя централно върху горната страна на образеца като пресоваща матрица (фигура 2, вдясно). Ролките са дълги 15 mm и имат диаметър 4 mm. Ролковият лагер предотвратява значителните натоварвания на опън по време на деформация, докато карданният лагер в буталото винаги осигурява линеен контакт между буталото и образеца.
При използване на Т-образен щит и "карданния ролков лагер" (фигура 3) не настъпва саморазрушаване, дори и при натоварване при изпитването (Fstst = 0,25 N, Fdyn = 0,15 N). Това важи и за многократните пускания (нагряване/охлаждане) на прехода α/β.
При такива експериментални условия върху кварцови волани могат успешно да се провеждат температурни преходи, обхващащи температурния диапазон на прехода α/β. След приключване на измерванията образецът може да се отстрани, без да се повреди.
Резултати от измерването
Фазовият преход a/ß на кварцовите кристали за първи път може да бъде надеждно открит механично с помощта на високотемпературния DMA под формата на температурна проба (фигура 4). Определянето на температурата на прехода може да се извърши въз основа на температурната зависимост на модула на Юнг |E*| и/или затихването (tan δ). По този начин температурата, преобладаваща на мястото на пробата, също е известна и може да се използва като стандарт за калибриране.
В настоящите изследвания фокусът беше върху регистрирането на поведението в близост до прехода α/β. За тази цел трябва да се прилагат ниски натоварвания на изпитването (тук Fstatic = 0,25 N, Fdynamic = ± 0,15 N) и ниски скорости на нагряване (2 K/min).
HT Eplexor® е много подходящ за провеждане на такива динамично-механични изследвания благодарение на способността си да select натоварващи клетки с подходящо номинално натоварване за специфичните за случая изисквания.
Резюме
Натоварванията, адаптирани към поведението на материала в температурния диапазон около 550 °C, не позволяват достатъчно добро свързване на образеца с опората за огъване при по-ниски температури. Резултатът е подценен модул на Юнг |E*| в диапазона RT. За доброто свързване е необходимо, при размери на образеца от 1,03 mm x 10,81 mm x 35 mm, статични сили от поне 5 N и отделни измервания. Ако тези натоварвания бяха приложени в температурния диапазон на прехода α/β, неизбежно щеше да се стигне до разрушаване на образеца. Поради това тук беше извършено намаляване на натоварването при по-високи температури.