Kiến thức ngành

Kính là vật liệu phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ cửa sổ nhà đến màn hình thiết bị điện tử. Nhưng bạn đã bao giờ tự hỏi về nội lực tạo nên những đặc tính độc đáo của kính chưa? Một khía cạnh quan trọng là độ căng của kính. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách kính chịu lực căng, các yếu tố ảnh hưởng đến nó và lý do tại sao nó lại quan trọng.

Độ căng trong thủy tinh là gì?

Sức căng trong kính là ứng suất bên trong khiến các bộ phận của kính bị kéo giãn ra. Không giống như lực nén, khi các vật liệu bị đẩy lại gần nhau, lực căng tạo ra một lực có xu hướng kéo giãn kính. Sức căng bên trong này về bản chất không xấu; trên thực tế, nó thường được thiết kế có chủ đích để tăng cường độ bền và khả năng chịu lực của kính, như đã thấy ở kính cường lực.

Tại sao kính lại tạo ra lực căng?

Kính bị căng chủ yếu do quá trình nhiệt và kỹ thuật sản xuất. Dưới đây là phân tích những lý do chính:

Tốc độ làm mát không đồng đều

Thủy tinh được hình thành bằng cách nung chảy silica (cát) và các chất phụ gia khác ở nhiệt độ cực cao (khoảng 1.700°C). Khi thủy tinh nóng chảy nguội đi, nếu các phần khác nhau của vật liệu nguội đi với tốc độ khác nhau, sức căng sẽ xuất hiện. Ví dụ, lớp ngoài có thể nguội nhanh hơn và co lại, trong khi lớp trong vẫn nóng hơn và giãn nở. Sự không cân xứng này tạo ra sức căng ở các lớp ngoài lạnh hơn và nén ở các lớp trong ấm hơn khi thủy tinh đông đặc.

Ứng suất cơ học trong quá trình xử lý

Các bước sản xuất như cắt, mài hoặc uốn có thể tạo ra ứng suất cơ học. Nếu những quy trình này không chính xác, chúng có thể phá vỡ cấu trúc bên trong của kính, dẫn đến căng thẳng cục bộ. Ví dụ, việc mài không đều có thể làm mỏng một số khu vực, khiến chúng dễ bị căng thẳng hơn dưới áp lực.

Biến thể thành phần hóa học

Sự pha trộn tạp chất hoặc nguyên liệu thô không đồng đều có thể gây ra hiện tượng làm nguội và co ngót không đều. Ngay cả những khác biệt nhỏ trong thành phần hóa học của mẻ thủy tinh cũng có thể dẫn đến sự khác biệt trong cách các vùng khác nhau phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ, dẫn đến hiện tượng căng giãn.

Các bước sản xuất chính tạo nên sự căng thẳng

Độ căng của kính thường được tạo ra một cách có chủ đích để tăng cường độ bền, chẳng hạn như trong sản xuất kính cường lực. Cách thực hiện như sau:

Làm nóng đến nhiệt độ tới hạn

Thủy tinh được nung nóng đến khoảng 600–650°C, ngay dưới điểm hóa mềm. Điều này cho phép vật liệu trở nên dẻo mà không bị mất hình dạng.

Làm mát nhanh chóng, có kiểm soát

Kính được làm nguội nhanh chóng bằng tia khí áp suất cao. Bề mặt ngoài cứng lại trước, trong khi lớp bên trong tiếp tục nguội và co lại sau đó. Sự co lại này kéo các lớp bên ngoài vào trong, tạo ra lực nén trên bề mặt và lực căng ở lõi - trạng thái này giúp kính cường lực cứng hơn kính ủ đến năm lần.

Ủ: Giảm căng thẳng không mong muốn

Không phải tất cả độ căng đều mong muốn. Kính ủ trải qua quá trình làm nguội chậm trong lò nung được kiểm soát (lò ủ) để giảm ứng suất bên trong. Quá trình này giúp giảm thiểu độ căng, giúp kính ít bị vỡ bất ngờ. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là kính ủ yếu hơn kính cường lực.

Độ căng ảnh hưởng đến hiệu suất của kính như thế nào

Độ bền: Độ căng được kiểm soát (như kính cường lực) giúp tăng cường độ đáng kể. Lực nén bề mặt giúp chống trầy xước và va đập, trong khi lực căng lõi phân bổ đều ứng suất.

An toàn: Khi kính cường lực vỡ, lực căng sẽ khiến kính vỡ thành những mảnh tròn nhỏ thay vì những mảnh sắc nhọn, giúp giảm nguy cơ thương tích.

Độ bền: Độ căng được quản lý hợp lý giúp kính chịu được sự thay đổi nhiệt độ, một đặc tính quan trọng đối với các ứng dụng như cửa lò nướng hoặc cửa sổ ô tô.

Những câu hỏi thường gặp về độ căng của kính

Độ căng của kính có thể gây hại không?

Có, nếu lực căng không đều hoặc quá lớn (ví dụ, do sản xuất kém), kính có thể tự vỡ. Điều này hiếm khi xảy ra ở các sản phẩm được kiểm soát chất lượng nhưng có thể xảy ra ở kính chất lượng thấp.

Có phải tất cả kính đều chịu lực căng không?

Không. Kính ủ có độ căng tối thiểu do làm nguội chậm, trong khi kính cường lực, kính nhiều lớp hoặc kính gia cường nhiệt có độ căng cố định để đạt được các đặc tính cụ thể.

Độ căng của thủy tinh được đo như thế nào?

Các công cụ như máy đo phân cực phát hiện các kiểu ứng suất trong kính bằng cách phân tích độ phân cực ánh sáng, giúp nhà sản xuất đảm bảo mức độ căng thích hợp.

Phần kết luận

Độ căng của kính là kết quả của các quá trình nhiệt và cơ học, thường được kiểm soát cẩn thận trong quá trình sản xuất để nâng cao hiệu suất. Từ việc làm nguội nhanh kính cường lực đến quá trình giảm ứng suất trong quá trình ủ, những phương pháp này định hình nên độ bền, độ an toàn và độ bền của kính. Hiểu được cách kính chịu lực giúp chúng ta đánh giá cao tính linh hoạt của nó và kỹ thuật chế tạo đằng sau các sản phẩm hàng ngày.

Cho dù bạn đang chọn kính cho một tòa nhà, một thiết bị hay một vật dụng gia đình, việc hiểu biết về độ căng có thể giúp bạn chọn được vật liệu phù hợp với nhu cầu của mình.