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具有压应力的「钢化玻璃」在抗压性上有何特点主要应用在哪些方面?
作者:an888    发布于:2022-10-28 17:13    文字:【】【】【

  具有压应力的「钢化玻璃」在抗压性上有何特点主要应用在哪些方面?它是用物理的或化学的方法,在玻璃表面上形成一个应力层,玻璃本身具有较高的抗压强度,不会造成破坏,当玻璃受到外力作用时,这个压力层可将部分拉应力抵消,避免玻璃的碎裂。虽然钢化玻璃内部处于较大的拉应力状态,但玻璃的内部无缺陷存在,不会造成破坏,从而达到提高玻璃强度的目的。众所周知,材料表面的「微裂纹」是导致材料破裂的主要原因,因为微裂纹在张力的作用下会逐斩扩展,最后沿裂纹开裂。而玻璃竟钢化后,由于表面存在较大的压应力,可使玻璃表面的微裂纹在挤压作用下变得更加细微,甚至「愈合」。

  钢化玻璃是平板玻璃的二次加工产品,钢化玻璃的加工可分为物理钢化法和化学钢化法。物理钢化玻璃又成为「淬火钢化玻璃」,它是将普通平板玻璃在加热炉中加热到接近玻璃的软化温度(600℃)时,通过自身的形变消除内部应力,然后将玻璃移出加热炉,再用多头喷嘴将高压冷空气吹向玻璃的两面,使其迅速且均匀地冷却至室温,即可制得钢化玻璃。这种玻璃处于内部受拉而外部受压的应力状态,一旦局部发生破损,便会发生应力释放,玻璃被破碎成无数小块,这些小的碎片没有尖锐棱角,不易伤人。在钢化的生产过程中,对产品品质影响最大的当是如何使玻璃形成较大而均匀的内应力。而对产量影响最大的则是如何人防止炸裂和变形。不论是上述哪个影响因素都与玻璃的加热和冷却条件密切相关。

  当玻璃均匀加热到钢化温度后骤然冷却时,由于内外层降温速度的不同,表层急剧冷却收缩,而内层降温收缩迟缓,结果内层因被压缩受「压应力」,表层受「张应力」。随着玻璃的继续冷却,表层已经硬化停止收缩,而内层仍在降温收缩,直至到达室温,这样表层因受内层的收缩形成「压应力」,内层则形成「张应力」,并被永久的保留在钢化玻璃中。由于玻璃是抗压强而抗拉弱的脆性材料,当超过抗张强度时玻璃即行破碎,所以内应力的大小及其分布形式是影响玻璃强度急炸裂的主要原因。另一种情况是玻璃在可塑状态下冷却时,不论是加热不均,还是冷却不均,只要在同一块玻璃上有温差,就会有不同的收缩量。在降至室温时,温度越高的地方降温越多,收缩量越大,玻璃也就越短。相反地,温度越低的地方降温少,收缩量也小,玻璃也就长。一块玻璃如果各处长短不一则势必发生板面翘曲,这样我们就不难理解玻璃为什么会变形?以及怎样防止变形。

  由于钢化玻璃内部的应力分布已处于均衡的状态,当进行切割、钻空等再加工时,因应力平衡破坏而引起破碎,所以一般不允许进行再加工。但是轻微的加工,例如对划伤、彩虹等缺陷进行抛光时,对产品性能并没有多大影响。钢化玻璃在热处理完成以后急使用过程中存在无直接外力的作用而发生自行爆裂的现象。据国外研究统计,自爆率一般为 0.1%-0.3%。引起自爆的主要原因是玻璃中硫化镍(Nis)相变引起的体积膨胀所导致,一般佔比为 2% 左右。解决自爆的对策主要有:控制钢化应力及均质处理(HST)等,其中对玻璃進行均质处理的最有效且根本的办法。均质处理的有效性取决于均质炉的性能急均质工艺,必须重视炉内玻璃放置方式、均质温度控制、炉内气流走向急对均质自爆机理急影响因素等。均质处理(HST)是公认的彻底解决自爆问题的有效方法,将钢化玻璃再次加热到290℃左右并保温一定时间,使硫化镍在玻璃出厂前完成晶相转变,让今后可能自爆的玻璃在出厂内提前破碎。

  钢化玻璃强度高,其抗压强度可达125Mpa以上,比普通玻璃大4~5倍;抗冲击强度也很高,用钢球法测定时,1㎏的钢球从1m高度落下,玻璃可保持完好。钢化玻璃的弹性比普通玻璃大得多,一块钢化玻璃受力后可发生达 100mm 的弯曲度,当外力撤除后,仍能恢复原状,而普通玻璃弯曲变形只能有几毫米。热稳定性好,在受急冷急热时,不易发生炸裂是钢化玻璃又一特点。这是因为钢化玻璃的压应力之故。钢化玻璃耐热冲击,最大安 全工作温度为288℃,能承受204℃的温差变化。由于钢化玻璃具有较好的机械性能和热稳定性,所以在建筑工程、交通工具急其他领域内得到广泛的应用。平板钢化玻璃常用作建筑物的门窗、隔墙、幕墙急橱窗、家具等,曲面钢化玻璃常用于汽车、火车及飞机等方面。使用时应注意的是钢化玻璃不能切割、磨削,边角不能碰击挤压,需按现成的尺寸规格选用或提出具体设计图纸加工订制。

  应力特征成为鉴别真假钢化玻璃的重要标志。目前,在业内鉴别钢化玻璃与普通玻璃主要靠听,也就是说用手敲击玻璃,如果玻璃发出清脆响声,则说明玻璃是钢化玻璃,反之,则为普通玻璃。

  作为表征化学钢化性能的表面压应力(CS)和压应力层厚度(DOL),是业界认可的最重要指标,其直接决定玻璃的抗压、抗摔的能力。针对压应力测量,其主要原理是利用光束在有应力的玻璃中形成双折射,产生2条速度不同、振动方向相同互相垂直的偏振光,再通过观察到的条纹计算得出。一般来说,在 DOL 达到一定的程度基础上,CS 越高玻璃抗压、抗弯曲(4PB:4 point bend)强度越高,DOL 越高则强度的稳定性越高[1]。

  不同检测设备厂家的方案是有差异的,国内外主要有美国GEARINER SCIENTIFIC的DSR表面应力仪,但精度不够高,一般不用于化学钢化应力检测;美国STI研制生产的GASP表面应力仪,同样应用于非化学钢化玻璃;还有DORIN的SSM系列,日本折原研究所研发的FSM系列,其中目前测量平面玻璃最先进当属FSM-6000,检测效率高,精度高,可同时测量压应力层厚度,是目前业界权威。国内方面则以一些大学研究所自主研发为主,未面向市场供应[1]。

  近年来,随着 2007 年第一代 Apple iphone 的横空出世,人们对智能手机的理解进入了全新时代:革命性的使用体验、快速的滑动功能、眼花缭乱的各种拍照、语音功能……引起业界的巨大震动。随后 Google android 也携各大 IT 厂商纷纷加入,一时智能手机、平板电脑、超级本等视讯产品全面进入百花齐放的时代。随着视讯产品的普及化,使用人群越来越大,竞争日益激烈。各设备厂商除了继续在 CPU、内存、屏幕分辨率等硬件上继续突破,来保持竞争优势之外,使用的安全性也是业界绝对不能回避的重要问题。因为一旦产品出现人身安全方面的问题,对设备厂商品牌打击是致命的,造成无法估量的后果[1]。

  玻璃从液态拉成形后,紧接着需要退火。退火,顾名思义,是让高温玻璃退烧,并在这个过程中使玻璃内部分子得到均匀重新排列,使热应力得到分散和大量消除。玻璃的退火一般在专用的退火炉内进行,俗称退火窑。首先将玻璃加温到退火温度(如果玻璃在退火前温度已经高于退火窑的温度,这个过程可以跳过),要注意不同类型的玻璃由于化学成分不同,退火温度是不一样的。之后玻璃在退火温度下先稳定一段时间,再跟着退火炉一起缓慢、均匀的冷却到室温[1]。

  整个退火过程的时间非常长,对于普通的玻璃,视实际情况,有的时候甚至需要一个星期。但是即使是经过退火以后,玻璃内这种热应力也不能完全得到消除,而且最终会永远存在于玻璃的内部,这种应力是归为残留应力(永久应力)。还有一种由于玻璃内部微观成分不均匀所引起的结构应力,但这种应力相比热应力来说微乎其微,所以我们只讨论这种热应力[1]。

  退火后残留应力仍然存在主要是因为两方面的原因,原因之一是因为玻璃在退火时降温速度虽然已经很缓慢,但玻璃内部和表面冷却得速度还是有差异。于是当玻璃表面的外层已经冷却到室温时,此时内层温度仍然比室温要高,需要继续冷却,而外层则已经不再能继续冷却收缩,所以当内层继续冷却时会受到外层阻碍而无法自由地收缩。最终外层在内层收缩力的作用下受到压应力,而内层受到外层阻挡收缩的力作用下受到拉(张)应力。当最终内层也降温到室温时,这两个力也就是残留应力就已经留在玻璃内部了,而且这种应力的方向是平行存在于玻璃表面的,如图所示。这种由于降温时玻璃内外层温度不一致所造成的应力称为中部应力[1]。

  玻璃残留应力存在的另一个原因是退火炉内的温度分布不均匀所引起的。由于退火炉本身散热以及炉内加热器位置分布的关系,炉子中央和边缘之间总是存在一定的温差,这种温差也会引起玻璃内的应力产生。因为在退火过程中由于各个位置上受热的情况不同,在这些位置上的分子质子运动方向不一样,导致分子间产生相互的作用力,影响应力分散的效果。这种由于炉内温差原因而引起的这部分应力称为边缘应力[1]。

  对于光学玻璃的部分应用来说,玻璃的应力可以说是灾难。因为其危害比较明显,例如开裂,因为应力的存在,玻璃一旦受到外力作用,非常容易引起应力释放,导致在应力集中区域破裂。我们日常使用的光盘中如果存在应力,会使物镜会聚光束的不同部分聚焦在光盘记录层的不同点,使标记焦点产生畸变,这种畸变会影响光束读写的聚焦,无法准确读取光盘内信息,甚至读不出来,导致光盘性能变差。而半导体中的光电阴极材料存在的应力会降低光电子发射效率。其它一些特殊领域的工作环境比如航天,由于大的加速度会使得光学元件的内部应力发生变化,造成与之相关的光学特性参数发生变化,从而影响元件的光学性能[1]。

  还有别的如各种石油化工的塔、罐、船体以及机械零件的表面均可能存在残留应力,它们对零件、部件及结构的质量、使用寿命等有很大影响,有的甚至造成重大事故[1]。

  但对于需要加强玻璃强度的应用领域,提高玻璃表面压应力意味着提高玻璃强度,提高使用安全性。因为在玻璃被破坏前,外力需要先抵消玻璃表面存在压应力,之后才能使玻璃破裂。一般来说,玻璃表面压应力决定了玻璃抗压、耐摔的机械强度。因此对于对玻璃强度有一定要求的领域,就只能考虑加大玻璃表面压应力来提高玻璃的机械强度[1]。

  钢化玻璃与同等厚度的普通玻璃相比,其抗弯强度、耐冲击强zhi度高3~5倍。普通玻璃dao受荷载弯曲时,上表层受到压应力下层受到拉压力,玻璃的抗张强度较低,超过抗张强度就会破裂,所以普通玻璃的强度很低。而钢化玻璃受到荷载时,其最大张应力不像普通玻璃一样位于玻璃表面,而是在钢化玻璃的板中心,所以钢化玻璃在相同的荷载下并不破裂

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