短波紅外線加熱封接技術在鋼化真空玻璃中的應用

發布日期 : 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的新一代節能玻璃，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穩定性，具備保溫、抗結露、隔聲和節能、環保、附加值高、超薄等特點，是新一代的節能環保透明材料，產品可廣泛應用于綠色建筑、被動式建筑門窗、冷鏈冰柜門體、車船玻璃及太陽能利用領域，具有廣闊的市場前景。

　　真空玻璃的基本結構

　　2　真空玻璃鋼化研究現狀

　　真空玻璃主要可應用于建筑門窗、幕墻、家電行業的冷凍冷藏展示柜玻璃門、汽車玻璃窗等產業。這些產業除了節能要求外，對安全性的要求也比較高，各行業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模化應用的瓶頸之一，這是由其特殊的結構和獨特的加工工藝所決定的。鋼化玻璃的表面應力隨溫度和時間的衰減如圖2所示，300 ℃以上長時間加熱，鋼化玻璃即會發生退火；當玻璃在510 ℃保持3 s，表面應力就退火約1.5%，0.5 min后，表面應力退火至初始應力的73%，1 min后退火至60%，30 min后應力退火殆盡。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力退火至初始應力的70%，再加上升溫和降溫時間，實際殘余應力不超過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，使玻璃對支撐物產生極大的壓力，相對應的在玻璃的外表面將形成較大的張應力，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力在高溫退火后的產品，其表面應力值可以達到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，當遇到較大沖擊仍有墜落傷人的風險，通常通過復合夾層玻璃、復合中空玻璃、外加防護層進一步提高其安全性，以應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，目前國內真空玻璃生產企業和科研單位都在積極研究鋼化真空玻璃，即玻璃表面應力大于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，是真空玻璃技術發展的大趨勢。

　　隨著鋼化真空玻璃表面強度大幅提高，相應的其抗沖擊性、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用領域增加，可以充分發揮其輕薄的比較優勢。

　　當鋼化真空玻璃單片應用在建筑門窗、冷柜門，相比原中空玻璃厚度將減少60%以上，在保持優異隔熱隔音性能的同時，將大幅減輕框體厚度和重量，節省大量材料成本；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勢。

　　3　幾種鋼化真空玻璃的加工方法

　　真空玻璃生產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，國內諸多生產廠家和科研院所進行了研究攻關，逐漸形成了以下兩種主要技術路線：采用超低溫封接玻璃粉料制備技術和局部加熱技術。其技術原理都是在保證封接強度的同時大幅降低玻璃退火，使玻璃表面應力達到90 MPa以上。

　　3.1　超低溫封接玻璃粉制備技術

　　鋼化玻璃在360 ℃（680 ℉）以上長時間加熱會明顯退火。國內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備；玻璃粉和玻璃屬于相似物質，封接強度及一致性較好。這種技術存在的問題是：由于封接溫度的降低，玻璃粉料膨脹系數與平板玻璃的匹配和調整較困難，制備成本較高，并且對真空玻璃的加工工藝要求更加嚴格。如果膨脹系數匹配不良，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，也可能會導致封接強度降低，在后續的安裝和使用過程中，受到較大外力作用時可能會導致密封失效。

　　3.2　局部加熱技術

　　局部加熱技術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域保持低溫。采用玻璃局部紅外加熱輔以中心區域覆蓋隔熱層的方式，與超低溫封接玻璃粉相結合，在保證邊部封接的同時使玻璃中心部位及大部分區域保持低溫，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。這種技術存在的問題是：由于玻璃的橫截面傳熱，會導致玻璃邊部一定范圍內形成較明顯的應力梯度，特別是邊部封接位置的表面應力較差。由于玻璃邊部在抽真空后外表面形成一定張應力，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生形變的位置，對強度的要求也更高，無疑是對這種技術工藝的一種考驗。

　　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用于真空玻璃的研發，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，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備價格昂貴、焊接工藝復雜；玻璃和金屬異質封接，其工藝穩定性、耐久性和可靠性有待驗證。

　　此外，局部加熱技術還包括諸如微波、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

　　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）簽署合作協議，共同開發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，在美國佳殿技術理論的基礎上，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力大于90 MPa的全鋼化真空玻璃，并于同年研發出連續化中試線，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研究總院合作，以這種工藝技術為基礎建設了年產15萬m2的鋼化真空玻璃連續化封邊線，見圖3。2013年5月，經國家安全玻璃及石英玻璃質量監督及檢驗中心檢測，產品性能檢測結果如表1，其中鋼化真空玻璃的表面應力退火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力大于90 MPa、顆粒度大于40片的要求。保溫性能K 值經檢測達到0.48W/（m2·K），性能優異。