Влияние воды на фазовый $\alpha$–$\beta$-переход в поверхностном слое кварца

Методами инфракрасной и рамановской спектроскопии исследована температурная зависимость концентрации $\alpha$-фазы в поверхностных слоях и объеме пластин кварца, выпиленных на расстоянии $\sim$ 2 mm от естественной поверхности роста друз месторождения Додо на Приполярном Урале. Обнаружено, что в объеме образцов температурная зависимость ведет себя так, как и ожидается для фазового перехода первого рода: до 800 K она неизменна, а при больших температурах стремится к нулю. В поверхностных слоях толщиной $\sim$ 0.15 и $\sim$ 0.8 $\mu$m концентрация $\alpha$-фазы монотонно уменьшается примерно на 10% при повышении температуры до 780 K. Температурная зависимость концентрации $\alpha$-фазы в слое, расположенном на глубине $\sim$ 6 $\mu$m, имеет два минимума: при температурах $\sim$ 370 и $\sim$ 570 K, при которых концентрация этой фазы уменьшается приблизительно наполовину. Одновременно растет концентрация $\beta$-фазы. Обнаруженные зависимости концентрации $\alpha$-фазы с ростом температуры объяснены воздействием воды на искажения кристаллической решетки около дислокаций роста. При 370 K из межзеренных границ испаряется свободная вода, а при 570 K – вода, связанная водородными связями с группами SiOH. При испарении воды изменяются напряжения в межзеренных границах, что и приводит к изменению концентрации $\alpha$-фазы. Установлено, что в поверхностном слое кварца толщиной до $\sim$ 0.8 $\mu$m при увеличении температуры появляются растягивающие напряжения, достигающие $\sim$ 170 MPa. Под влиянием напряжений образуются микротрещины, которые приводят к разрушению образца. Появление растягивающих напряжений объяснено увеличением объема слоя макрокристалла, расположенного на расстоянии от $\sim$ 1 до $\sim$ 8 $\mu$m от его поверхности из-за роста в нем концентрации $\beta$-фазы.