一、冷却过程中的热应力（核心成因）

石英玻璃在非均匀温度下就会产生应力。在任何特定温度下,石英玻璃都有其相应的原子结构,并且组成石英玻璃的原子空间结构都是“最合适的”。原子间隙随温度的变化而改变,一般称之为热膨胀现象。当石英玻璃不均匀受热，就会导致不均匀膨胀。

产生应力的原因一般是热的区域向外膨胀，但被周围冷的区域所限制，这种应力是收缩应力，一般不会造成产品的损坏。如果温度足够高能让石英玻璃软化应力就会得到缓解。然而，如果石英玻璃冷却速度过快，导致粘度增加过快，内部原子结构来不及随下降温度调整到合适的位置，应力会再次出现，但这种应力是一种“拉”应力，很容易造成产品的损坏。

应力会随着温度的下降越来越大，当冷却结束时会达到很高的水平。事实上在石英玻璃粘度大于10^4.6泊时的温度称为应变点，在这种温度下，石英玻璃的粘度很大，应力不会减少。

二、相变与结构弛豫引发的应力

亚稳结构弛豫：熔融石英在高温熔融状态下，原子排列混乱程度高；冷却时，原子试图向更稳定的结构弛豫，但玻璃态的高黏度限制了原子迁移，导致内部结构处于亚稳态，产生弛豫应力。这种应力随时间可能缓慢释放（如玻璃的 “时效” 现象）。

微观晶化倾向：若熔融石英在特定温度区间（如接近析晶温度）长时间保温，可能出现微量晶化（如析出方石英微晶），晶体与玻璃相的体积差异会引发相变应力。

三、外部荷载与机械作用

1、加工过程中的应力引入

熔融石英制品在切割、研磨、抛光等加工时，机械力会导致表层晶格畸变，产生加工应力。例如，砂轮切割玻璃时，刃口处的局部高温与机械挤压会形成应力集中。钻孔、开槽等操作若工艺不当，缺口处易产生应力集中，成为裂纹源。

2、使用环境中的荷载应力

作为结构材料时，熔融石英承受外部机械荷载（如压力、弯曲力），导致宏观应力。例如，熔融石英玻璃器皿盛装重物时产生的弯曲应力。

四、热冲击与温度剧变

1、急热急冷引发的瞬时应力

熔融石英虽热膨胀系数低（约 0.5×10⁻⁶/℃），但在温度剧变（如从室温骤升至高温或浸入冰水）时，局部温差仍会导致快速热胀冷缩，产生瞬时热应力。例如，实验室用石英玻璃器皿遇骤冷骤热易破裂。

2、周期性温度波动

长期在交变温度环境中（如窑炉内衬、高温设备窗口），熔融石英因反复热胀冷缩积累疲劳应力，加速材料老化开裂。

五、化学作用与应力耦合

1、腐蚀与溶蚀应力

熔融石英与强碱性溶液（如 NaOH）或高温酸性气体（如 HF）接触时，表面被腐蚀溶解，破坏结构均匀性，产生化学应力。例如，玻璃被碱腐蚀后，表层体积变化或形成微裂纹。

2、化学气相沉积（CVD）应力

若通过 CVD 工艺在熔融石英表面沉积其他材料（如 SiC 涂层），两者的热膨胀系数或弹性模量差异会导致界面应力，冷却后可能引发涂层剥落或基体开裂。

六、内部缺陷与杂质的影响

1、气泡与杂质包裹体

熔融石英熔炼过程中若残留气泡或杂质（如金属离子、未熔融晶体颗粒），气泡边缘或杂质与玻璃相的物理性质差异（如热膨胀系数、弹性模量）会导致局部应力集中。例如，气泡周围易在受力时产生裂纹。

2、微裂纹与结构缺陷

原材料中的杂质或熔炼缺陷会导致熔融石英内部存在微裂纹，外部荷载或温度变化时，微裂纹尖端会产生应力集中效应，加剧裂纹扩展。

来源：晶格半导体