短波红外线加热封接技术在钢化真空玻璃中的应用

1　真空玻璃简介
       真空玻璃是基于保温瓶原理并参考显像管工艺开发的新一代节能玻璃，两片玻璃之间用0.1～0.3 mm高的细小支撑物阵列隔开，四周用玻璃焊料熔封，在玻璃表面或边部留有抽气管或抽气孔，经过抽真空排气后，将抽气孔封离，形成气压低于0.1 Pa的真空层，如图1所示。真空玻璃具有优良的绝热性、隔音性、较高的日光透射性、红外光反射性及化学稳定性，具备保温、抗结露、隔声和节能、环保、附加值高、超薄等特点，是新一代的节能环保透明材料，产品可广泛应用于绿色建筑、被动式建筑门窗、冷链冰柜门体、车船玻璃及太阳能利用领域，具有广阔的市场前景。

图1　真空玻璃的基本结构

2　真空玻璃钢化研究现状

       真空玻璃主要可应用于建筑门窗、幕墙、家电行业的冷冻冷藏展示柜玻璃门、汽车玻璃窗等产业。这些产业除了节能要求外，对安全性的要求也比较高，各行业均对玻璃制品的安全性能提出了强制性要求。自真空玻璃诞生之日起，安全问题一直是困扰真空玻璃规模化应用的瓶颈之一，这是由其特殊的结构和独特的加工工艺所决定的。钢化玻璃的表面应力随温度和时间的衰减如图2所示，300 ℃以上长时间加热，钢化玻璃即会发生退火；当玻璃在510 ℃保持3 s，表面应力就退火约1.5%，0.5 min后，表面应力退火至初始应力的73%，1 min后退火至60%，30 min后应力退火殆尽。真空玻璃边部使用低熔点玻璃粉高温焊接，430 ℃保持1 h，会使钢化玻璃的表面应力退火至初始应力的70%，再加上升温和降温时间，实际残余应力不超过40%。玻璃表面强度的降低将大幅削弱真空玻璃的安全性；真空玻璃的真空层与外界大气压形成巨大的气压差，支撑物与玻璃接触面积极小，使玻璃对支撑物产生极大的压力，相对应的在玻璃的外表面将形成较大的张应力，一定程度上削弱了玻璃表面强度，使其抗冲击性降低。

图2　钢化玻璃应力退火曲线

       目前，市场上销售的“半钢化真空玻璃”（热增强真空玻璃），即是钢化玻璃表面应力在高温退火后的产品，其表面应力值可以达到24～69 MPa，这种真空玻璃破碎后会形成延伸到边的裂纹，虽然有窗框固定，但碎片大且成锐角，当遇到较大冲击仍有坠落伤人的风险，通常通过复合夹层玻璃、复合中空玻璃、外加防护层进一步提高其安全性，以应用在建筑门窗幕墙等对安全性要求较高的地方，除半钢化真空玻璃以外，目前国内真空玻璃生产企业和科研单位都在积极研究钢化真空玻璃，即玻璃表面应力大于90 MPa的真空玻璃。与半钢化真空玻璃相比，钢化真空玻璃可从根本上解决真空玻璃本体安全性的问题，是真空玻璃技术发展的大趋势。
        随着钢化真空玻璃表面强度大幅提高，相应的其抗冲击性、抗弯强度、抗热冲击性能也大幅提高；破碎后呈不带锐角的细小颗粒，对人伤害减小，使真空玻璃单片使用的可能性及应用领域增加，可以充分发挥其轻薄的比较优势。
      当钢化真空玻璃单片应用在建筑门窗、冷柜门，相比原中空玻璃厚度将减少60%以上，在保持优异隔热隔音性能的同时，将大幅减轻框体厚度和重量，节省大量材料成本；玻璃重量减轻30%以上，减少对框体强度要求，减少墙体或箱体的承重要求。这在对玻璃性能和厚度都有要求的领域，如平板式太阳能热水器用面板玻璃、冰柜门用玻璃、汽车用玻璃等具有较大优势。
3　几种钢化真空玻璃的加工方法
       真空玻璃生产过程中的高温封接工艺是制备钢化真空玻璃的难点，针对这个问题，国内诸多生产厂家和科研院所进行了研究攻关，逐渐形成了以下两种主要技术路线：采用超低温封接玻璃粉料制备技术和局部加热技术。其技术原理都是在保证封接强度的同时大幅降低玻璃退火，使玻璃表面应力达到90 MPa以上。
3.1　超低温封接玻璃粉制备技术
       钢化玻璃在360 ℃（680 ℉）以上长时间加热会明显退火。国内厂家和科研院所积极开展了封接温度300～380 ℃的超低熔点玻璃粉的试制工作。由于封接温度较低，可大幅降低封接时玻璃的退火，这种低温封接玻璃粉可以从根本上解决钢化玻璃的退火问题，不需要附加任何额外的工艺和设备；玻璃粉和玻璃属于相似物质，封接强度及一致性较好。这种技术存在的问题是：由于封接温度的降低，玻璃粉料膨胀系数与平板玻璃的匹配和调整较困难，制备成本较高，并且对真空玻璃的加工工艺要求更加严格。如果膨胀系数匹配不良，会对玻璃封接强度和耐久性造成影响。此外，封接温度过低会使玻璃粉与平板玻璃浸润不良，也可能会导致封接强度降低，在后续的安装和使用过程中，受到较大外力作用时可能会导致密封失效。
3.2　局部加热技术
       局部加热技术原理是仅对需要封接的玻璃边部进行高温加热，玻璃中心部位及大部分区域保持低温。采用玻璃局部红外加热辅以中心区域覆盖隔热层的方式，与超低温封接玻璃粉相结合，在保证边部封接的同时使玻璃中心部位及大部分区域保持低温，从而减少绝大部分玻璃的退火程度，其工艺简便可靠、成本较低。这种技术存在的问题是：由于玻璃的横截面传热，会导致玻璃边部一定范围内形成较明显的应力梯度，特别是边部封接位置的表面应力较差。由于玻璃边部在抽真空后外表面形成一定张应力，将进一步降低边部的强度，而在玻璃的安装使用过程中边部与框体接触是最易受力和发生形变的位置，对强度的要求也更高，无疑是对这种技术工艺的一种考验。
       还有一种局部加热方式是金属封接。德国格林策巴赫公司最先应用于真空玻璃的研发，它是先将两片玻璃分别与金属薄片焊接，将覆着金属薄片的两片玻璃合片后放置真空炉内，抽真空后再将两片金属薄片焊接，焊接采用激光加热等局部加热方式。优点是两片玻璃可形成柔性连接，增强边部的抗冲击和抗变形能力。目前存在的问题是：用于玻璃封接的特殊合金和设备价格昂贵、焊接工艺复杂；玻璃和金属异质封接，其工艺稳定性、耐久性和可靠性有待验证。
       此外，局部加热技术还包括诸如微波、高频焊等加热方式，目前多处在实验室阶段。
4　短波红外线加热封接技术
       青岛亨达玻璃科技有限公司2008年与世界玻璃巨头美国佳殿（Guardian）签署合作协议，共同开发提升真空玻璃的各项性能，钢化真空玻璃是其中的重要部分，2011年，在美国佳殿技术理论的基础上，采用全新的封接材料和短波红外光辐射加热工艺研制出首片表面应力大于90 MPa的全钢化真空玻璃，并于同年研发出连续化中试线，2014年12月钢化真空玻璃通过部级鉴定，2016年公司与中国建筑材料科学研究总院合作，以这种工艺技术为基础建设了年产15万m²的钢化真空玻璃连续化封边线，见图3。2013年5月，经国家安全玻璃及石英玻璃质量监督及检验中心检测，产品性能检测结果如表1，其中钢化真空玻璃的表面应力退火10%左右，达到115 MPa，颗粒度达到170片，符合GB 15763.2—2005《建筑用安全玻璃》中对平面钢化玻璃表面应力大于90 MPa、颗粒度大于40片的要求。保温性能K 值经检测达到0.48W/（m²·K），性能优异。

图3　钢化真空玻璃连续封边线
表1　钢化真空玻璃产品性能检测项目及结果

 4.1　技术原理
       与熟知的远红外线加热不同，短波红外线是波长在0.75～1.50 mm之间的红外线，具有较强的穿透深度。短波红外线加热器能发挥较大的功率，其辐射能量可穿透至物体内部，进而实现高效率的内部加热。短波红外线加热器由于能在数秒内达到最大的输出功率，特别适用于需要经常快速启动与停止的制程设计。
        另外，对于特定的加热程序，红外线的加热波长具有非常显著的影响，这是因为加热时一部分电磁射线在材料内被吸收，另一部分被反射，而剩余的射线则会穿透材料。只有被吸收的部分才能用于加热。每种材料均具备独特的吸收光谱，该光谱表示材料吸收电磁射线时的理想范围。如果红外线辐射器的发射光谱能够完美匹配某种材料的吸收光谱，以迅速和高效的方式加热材料，至少可节省50%的能源。
4.2　技术特点
        基于短波红外线加热的以上特点，通过研究钠钙玻璃基板的红外光谱发现，玻璃基板在短波红外线波长范围内具有较高的透过率，短波能量可穿过玻璃直接作用于封接玻璃粉料，加热过程不是简单的由外向内的温度传递，而是直接穿透介质加热玻璃粉内部，加热速度较快并且效果较好。
        封接材料是添加了吸波材料的无铅或低铅玻璃粉，软化点较高，但是因为加强了短波红外线波长范围内的吸收效果，可以在很短时间内达到封接温度和封接强度要求，再加上玻璃对短波的吸收率较低，玻璃基板温度较低，退火程度不超过初始表面应力的15%。这种技术的特点是由于玻璃粉的软化点较高，平板玻璃与玻璃粉的浸润性较好，粘接强度优异。因为短波对玻璃的穿透率高、加热时间短，即使是玻璃边部封接位置的退火程度也几乎和中心位置保持一致，玻璃表面应力分布较为均匀，尤其是玻璃边部强度较好。短波加热技术成熟可靠，基于快速高效的加热方式和快速均匀的降温工艺，设备生产效率较高。
5　钢化真空玻璃加工存在的问题及研究方向
5.1　玻璃基板平整度
       GB 15763.2—2005《建筑用安全玻璃》中对平面钢化玻璃平整度的要求是：弓形不超过0.3%，波形不超过0.2%。这种平整度要求对真空玻璃的加工已经存在一定影响，然而钢化真空玻璃要保持90 MPa以上的表面应力，需要玻璃基板具有110 MPa以上的初始表面应力。玻璃基板的过钢化工艺必然会对玻璃的平整度产生影响，玻璃的翘曲变形会对真空玻璃的边部封接造成不良后果。此外还会造成支撑物和玻璃受力不均，应力集中会降低玻璃的表面强度，同时造成金属支撑物移位和脱落。
        钢化真空玻璃对生产厂家的钢化设备和操作人员的技术水平都有较高要求，采用双室钢化炉、辊道间距较小的钢化炉或者气浮式钢化炉可有效改善玻璃平整度。
       支撑物方面需采用不可脱落的支撑物，如亨达公司采用的陶瓷釉料固化支撑物，先将陶瓷釉料涂布于玻璃表面，然后烘烤固化，使其与玻璃黏结为一体，不会因平整度较差而移动、脱落；另外可随玻璃平整度改变形状的柔性支撑物是下一步研究的方向之一。自支撑陶瓷材料支撑物涂布见图4。

图4　自支撑陶瓷材料支撑物涂布

5.2　抗冲击性
       真空玻璃由于其特殊的真空层结构，在支撑物处和边部封接部位会产生应力集中，削弱了钢化玻璃的抗冲击性。这是因为在大气压力下，支撑物和边部封接位置玻璃外表面会形成张应力，见图5，部分抵消了玻璃表面的压应力层，降低了这些位置玻璃的表面强度；在玻璃内侧，由于微小支撑物与玻璃接触面积很小，玻璃表面与支撑物接触会形成接触应力，当接触应力超过一定数值会形成微裂纹，当承受额外冲击力时微裂纹扩展，也会削弱真空玻璃的抗冲击性。以上是目前钢化真空玻璃测试应力和颗粒度符合国家标准，但是抗冲击性试验无法达标的主要原因。

图5　真空玻璃构造及大气压作用下应力分布示意图

       目前国内厂家多选择增大钢化真空玻璃的支撑物间距，以便进一步降低玻璃的传热系数。试验表明：支撑物间距越大，支撑物的受力越大，玻璃强度越低，抗冲击性越差。研发钢化真空玻璃的目的是解决真空玻璃使用安全性问题，而盲目扩大支撑物间距将大幅降低真空玻璃的抗冲击性能等安全性指标，未免顾此失彼。经测算，玻璃基片厚度为4 mm，支撑物最大允许间距为：普通玻璃为25 mm，钢化玻璃为45 mm，可见当把支撑物间距扩大到40 mm以上时，已经基本抵消了玻璃钢化所带来的应力提升。实际生产中也发现当支撑物间距40 mm以上时，使用表面应力仪可以在支撑物处和矩阵中心检测出明显的应力差，支撑物间距30 mm及以下时，应力差不明显。
       针对这个问题，亨达玻璃公司正在进行全方位研究，希望能从玻璃表面应力分布、合理的支撑物形状及间距等方面入手进一步的改善真空玻璃的抗冲击性。
6　结语
       研发钢化真空玻璃能够有效提升真空玻璃的安全性能，使真空玻璃单片使用更加可靠，为真空玻璃的应用提供了更为广阔的空间。钢化真空玻璃的加工方法各具特点，其中短波红外线加热和吸波玻璃粉相结合的方式更加快速高效，产品表面应力均匀一致，玻璃退火程度不超过15%，对玻璃基板的初始应力要求较小。另外，钢化真空玻璃在基板平整度和抗冲击性方面还存在一定问题，需要国内外生产厂家和科研院所进一步研究解决。