短波紅外線加熱封接技術(shù)在鋼化真空玻璃中的應(yīng)用

發(fā)布日期 : 2022-07-12 15:05:18

　　真空玻璃是基于保溫瓶原理并參考顯像管工藝開發(fā)的新一代節(jié)能玻璃，兩片玻璃之間用0.1～0.3 mm高的細小支撐物陣列隔開，四周用玻璃焊料熔封，在玻璃表面或邊部留有抽氣管或抽氣孔，經(jīng)過抽真空排氣后，將抽氣孔封離，形成氣壓低于0.1 Pa的真空層，如圖1所示。真空玻璃具有優(yōu)良的絕熱性、隔音性、較高的日光透射性、紅外光反射性及化學(xué)穩(wěn)定性，具備保溫、抗結(jié)露、隔聲和節(jié)能、環(huán)保、附加值高、超薄等特點，是新一代的節(jié)能環(huán)保透明材料，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于綠色建筑、被動式建筑門窗、冷鏈冰柜門體、車船玻璃及太陽能利用領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。

　　真空玻璃的基本結(jié)構(gòu)

　　2　真空玻璃鋼化研究現(xiàn)狀

　　真空玻璃主要可應(yīng)用于建筑門窗、幕墻、家電行業(yè)的冷凍冷藏展示柜玻璃門、汽車玻璃窗等產(chǎn)業(yè)。這些產(chǎn)業(yè)除了節(jié)能要求外，對安全性的要求也比較高，各行業(yè)均對玻璃制品的安全性能提出了強制性要求。自真空玻璃誕生之日起，安全問題一直是困擾真空玻璃規(guī)?；瘧?yīng)用的瓶頸之一，這是由其特殊的結(jié)構(gòu)和獨特的加工工藝所決定的。鋼化玻璃的表面應(yīng)力隨溫度和時間的衰減如圖2所示，300 ℃以上長時間加熱，鋼化玻璃即會發(fā)生退火；當(dāng)玻璃在510 ℃保持3 s，表面應(yīng)力就退火約1.5%，0.5 min后，表面應(yīng)力退火至初始應(yīng)力的73%，1 min后退火至60%，30 min后應(yīng)力退火殆盡。真空玻璃邊部使用低熔點玻璃粉高溫焊接，430 ℃保持1 h，會使鋼化玻璃的表面應(yīng)力退火至初始應(yīng)力的70%，再加上升溫和降溫時間，實際殘余應(yīng)力不超過40%。玻璃表面強度的降低將大幅削弱真空玻璃的安全性；真空玻璃的真空層與外界大氣壓形成巨大的氣壓差，支撐物與玻璃接觸面積極小，使玻璃對支撐物產(chǎn)生極大的壓力，相對應(yīng)的在玻璃的外表面將形成較大的張應(yīng)力，一定程度上削弱了玻璃表面強度，使其抗沖擊性降低。

　　圖片圖2　鋼化玻璃應(yīng)力退火曲線

　　目前，市場上銷售的“半鋼化真空玻璃”（熱增強真空玻璃），即是鋼化玻璃表面應(yīng)力在高溫退火后的產(chǎn)品，其表面應(yīng)力值可以達到24～69 MPa，這種真空玻璃破碎后會形成延伸到邊的裂紋，雖然有窗框固定，但碎片大且成銳角，當(dāng)遇到較大沖擊仍有墜落傷人的風(fēng)險，通常通過復(fù)合夾層玻璃、復(fù)合中空玻璃、外加防護層進一步提高其安全性，以應(yīng)用在建筑門窗幕墻等對安全性要求較高的地方，除半鋼化真空玻璃以外，目前國內(nèi)真空玻璃生產(chǎn)企業(yè)和科研單位都在積極研究鋼化真空玻璃，即玻璃表面應(yīng)力大于90 MPa的真空玻璃。與半鋼化真空玻璃相比，鋼化真空玻璃可從根本上解決真空玻璃本體安全性的問題，是真空玻璃技術(shù)發(fā)展的大趨勢。

　　隨著鋼化真空玻璃表面強度大幅提高，相應(yīng)的其抗沖擊性、抗彎強度、抗熱沖擊性能也大幅提高；破碎后呈不帶銳角的細小顆粒，對人傷害減小，使真空玻璃單片使用的可能性及應(yīng)用領(lǐng)域增加，可以充分發(fā)揮其輕薄的比較優(yōu)勢。

　　當(dāng)鋼化真空玻璃單片應(yīng)用在建筑門窗、冷柜門，相比原中空玻璃厚度將減少60%以上，在保持優(yōu)異隔熱隔音性能的同時，將大幅減輕框體厚度和重量，節(jié)省大量材料成本；玻璃重量減輕30%以上，減少對框體強度要求，減少墻體或箱體的承重要求。這在對玻璃性能和厚度都有要求的領(lǐng)域，如平板式太陽能熱水器用面板玻璃、冰柜門用玻璃、汽車用玻璃等具有較大優(yōu)勢。

　　3　幾種鋼化真空玻璃的加工方法

　　真空玻璃生產(chǎn)過程中的高溫封接工藝是制備鋼化真空玻璃的難點，針對這個問題，國內(nèi)諸多生產(chǎn)廠家和科研院所進行了研究攻關(guān)，逐漸形成了以下兩種主要技術(shù)路線：采用超低溫封接玻璃粉料制備技術(shù)和局部加熱技術(shù)。其技術(shù)原理都是在保證封接強度的同時大幅降低玻璃退火，使玻璃表面應(yīng)力達到90 MPa以上。

　　3.1　超低溫封接玻璃粉制備技術(shù)

　　鋼化玻璃在360 ℃（680 ℉）以上長時間加熱會明顯退火。國內(nèi)廠家和科研院所積極開展了封接溫度300～380 ℃的超低熔點玻璃粉的試制工作。由于封接溫度較低，可大幅降低封接時玻璃的退火，這種低溫封接玻璃粉可以從根本上解決鋼化玻璃的退火問題，不需要附加任何額外的工藝和設(shè)備；玻璃粉和玻璃屬于相似物質(zhì)，封接強度及一致性較好。這種技術(shù)存在的問題是：由于封接溫度的降低，玻璃粉料膨脹系數(shù)與平板玻璃的匹配和調(diào)整較困難，制備成本較高，并且對真空玻璃的加工工藝要求更加嚴(yán)格。如果膨脹系數(shù)匹配不良，會對玻璃封接強度和耐久性造成影響。此外，封接溫度過低會使玻璃粉與平板玻璃浸潤不良，也可能會導(dǎo)致封接強度降低，在后續(xù)的安裝和使用過程中，受到較大外力作用時可能會導(dǎo)致密封失效。

　　3.2　局部加熱技術(shù)

　　局部加熱技術(shù)原理是僅對需要封接的玻璃邊部進行高溫加熱，玻璃中心部位及大部分區(qū)域保持低溫。采用玻璃局部紅外加熱輔以中心區(qū)域覆蓋隔熱層的方式，與超低溫封接玻璃粉相結(jié)合，在保證邊部封接的同時使玻璃中心部位及大部分區(qū)域保持低溫，從而減少絕大部分玻璃的退火程度，其工藝簡便可靠、成本較低。這種技術(shù)存在的問題是：由于玻璃的橫截面?zhèn)鳠?，會?dǎo)致玻璃邊部一定范圍內(nèi)形成較明顯的應(yīng)力梯度，特別是邊部封接位置的表面應(yīng)力較差。由于玻璃邊部在抽真空后外表面形成一定張應(yīng)力，將進一步降低邊部的強度，而在玻璃的安裝使用過程中邊部與框體接觸是最易受力和發(fā)生形變的位置，對強度的要求也更高，無疑是對這種技術(shù)工藝的一種考驗。

　　還有一種局部加熱方式是金屬封接。德國格林策巴赫公司最先應(yīng)用于真空玻璃的研發(fā)，它是先將兩片玻璃分別與金屬薄片焊接，將覆著金屬薄片的兩片玻璃合片后放置真空爐內(nèi)，抽真空后再將兩片金屬薄片焊接，焊接采用激光加熱等局部加熱方式。優(yōu)點是兩片玻璃可形成柔性連接，增強邊部的抗沖擊和抗變形能力。目前存在的問題是：用于玻璃封接的特殊合金和設(shè)備價格昂貴、焊接工藝復(fù)雜；玻璃和金屬異質(zhì)封接，其工藝穩(wěn)定性、耐久性和可靠性有待驗證。

　　此外，局部加熱技術(shù)還包括諸如微波、高頻焊等加熱方式，目前多處在實驗室階段。

　　4　短波紅外線加熱封接技術(shù)

　　青島亨達玻璃科技有限公司2008年與世界玻璃巨頭美國佳殿（Guardian）簽署合作協(xié)議，共同開發(fā)提升真空玻璃的各項性能，鋼化真空玻璃是其中的重要部分，2011年，在美國佳殿技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，采用全新的封接材料和短波紅外光輻射加熱工藝研制出首片表面應(yīng)力大于90 MPa的全鋼化真空玻璃，并于同年研發(fā)出連續(xù)化中試線，2014年12月鋼化真空玻璃通過部級鑒定，2016年公司與中國建筑材料科學(xué)研究總院合作，以這種工藝技術(shù)為基礎(chǔ)建設(shè)了年產(chǎn)15萬m2的鋼化真空玻璃連續(xù)化封邊線，見圖3。2013年5月，經(jīng)國家安全玻璃及石英玻璃質(zhì)量監(jiān)督及檢驗中心檢測，產(chǎn)品性能檢測結(jié)果如表1，其中鋼化真空玻璃的表面應(yīng)力退火10%左右，達到115 MPa，顆粒度達到170片，符合GB 15763.2—2005《建筑用安全玻璃》中對平面鋼化玻璃表面應(yīng)力大于90 MPa、顆粒度大于40片的要求。保溫性能K 值經(jīng)檢測達到0.48W/（m2·K），性能優(yōu)異。