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【中玻網(wǎng)】真空玻璃是當(dāng)今世界節(jié)能效果較好的玻璃產(chǎn)品之一。用鋼化玻璃替代普通玻璃制備出的真空玻璃,可有效提高產(chǎn)品的安全可靠性、美觀性,已經(jīng)成為真空玻璃領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在眾多研發(fā)單位之中,中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院玻璃院近期的的研發(fā)成果十分引人注目,這就是鋼化真空玻璃紅外輻射加熱封接技術(shù),同時(shí),它也是第四屆中國(guó)玻璃創(chuàng)新推動(dòng)力大獎(jiǎng)——科技創(chuàng)新大獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目。
這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合特殊光譜吸收的封接玻璃焊料,可有效降低封接過(guò)程中鋼化玻璃的應(yīng)力衰退,實(shí)現(xiàn)鋼化真空玻璃的效率高、高質(zhì)封接,目前已經(jīng)具備成套技術(shù)解決方案和工業(yè)化設(shè)備,成為鋼化真空玻璃產(chǎn)業(yè)化的較佳途徑。在采訪(fǎng)中,該研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院玻璃深加工技術(shù)研究所副所長(zhǎng)李要輝博士,向記者講述了這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)實(shí)踐經(jīng)歷。
玻璃封接工藝成打破口
對(duì)采用鋼化玻璃有助于提高真空玻璃產(chǎn)品性能行業(yè)已經(jīng)達(dá)成共識(shí),但按照傳統(tǒng)的真空玻璃封接工藝,當(dāng)環(huán)境溫度接近或者超過(guò)玻璃的Tg溫度后,其鋼化度將會(huì)快速衰減。這一現(xiàn)象帶來(lái)的后果是,即使利用了鋼化玻璃原片,卻仍得不到真實(shí)的鋼化真空玻璃。由此,李要輝認(rèn)定,要從根本上解決高溫封接與鋼化應(yīng)力衰減之間的矛盾,必須把玻璃封接工藝作為打破口。
“我們研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)原理有點(diǎn)類(lèi)似于微波爐的工作原理!崩钜x笑說(shuō),“我們?cè)噲D利用特定能量波段的光輻射加熱爐,使玻璃封接焊料在短時(shí)間內(nèi)先于鋼化玻璃達(dá)到設(shè)定溫度,實(shí)現(xiàn)焊接料的熔融、流動(dòng)、致密封接。而平板玻璃由于避開(kāi)了主能量波段的吸收,玻璃基體的溫度升高有限,可以避免鋼化玻璃過(guò)度升溫引起應(yīng)力衰退。”
基于這一想法,李要輝及其團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一番工藝設(shè)計(jì):由于平板玻璃在波長(zhǎng)小于5μm的紅外波段具有較高的透過(guò)率,所以采用紅外熱源的主能量波段主要集中在近、中紅外波段(主能量波長(zhǎng)小于5μm);封接介質(zhì)為具有特征紅外吸收特性的低溫封接玻璃粉或漿料,為了實(shí)現(xiàn)紅外輻射加熱時(shí)封接料的快速吸熱升溫并熔融封接,其在波長(zhǎng)小于5μm的紅外波段具有較強(qiáng)的吸收效果。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,利用紅外輻射加熱結(jié)合特征紅外吸收封接焊料,加熱過(guò)程中鋼化玻璃溫度和封接料的溫度差值在30℃左右,且低熔點(diǎn)封接焊料的升溫速率較快,可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定封接溫度,可以有效縮短基板玻璃在高溫封接溫度段的保持時(shí)間,這無(wú)疑對(duì)實(shí)現(xiàn)封接過(guò)程鋼化應(yīng)力的維持具有重要意義。
“得益于紅外加熱的超效率高率和非常高靈敏度,這項(xiàng)技術(shù)在保證封接質(zhì)量的前提下,可以大大縮短整個(gè)封接工藝的周期,30分鐘基本可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)升降溫過(guò)程,生產(chǎn)環(huán)節(jié)效率高、能耗小,可以有效降低鋼化真空玻璃的制備成本!崩钜x說(shuō)。
新材料和新設(shè)備促封接技術(shù)落地
在上述原理獲得驗(yàn)證基礎(chǔ)上,紅外吸收封接焊料的無(wú)鉛化也是研發(fā)團(tuán)隊(duì)所認(rèn)定必須解決的技術(shù)難題。
據(jù)李要輝介紹,雖然500℃左右的無(wú)鉛封接焊料已經(jīng)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品,但可用于真空玻璃封接的并不多見(jiàn),能用于鋼化真空玻璃紅外輻射加熱封接的無(wú)鉛玻璃焊料更是尚屬空白。
鑒于此,建材總院在多年無(wú)鉛低溫玻璃研究基礎(chǔ)上,加快了真空玻璃用無(wú)鉛低溫焊料的研發(fā)進(jìn)程,尤其針對(duì)紅外輻射加熱用具有光譜選擇性吸收的無(wú)鉛玻璃焊料,進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)制備和性能測(cè)試,較終取得了技術(shù)上的打破,獲得了階段性的成功。
“經(jīng)考核,這種低溫?zé)o鉛玻璃焊料的封接溫度、膨脹系數(shù)、密封性、粘接強(qiáng)度等參數(shù)都能符合真空玻璃要求,我們也探索出了適合鋼化真空玻璃生產(chǎn)線(xiàn)量產(chǎn)的無(wú)鉛封接工藝!崩钜x表示,在上述材料和工藝技術(shù)相繼成熟和獲得授權(quán)保護(hù)基礎(chǔ)上,近期已實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛低溫封接玻璃材料的系列化設(shè)計(jì)、批量化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化定型,可以滿(mǎn)足400~500℃熔封溫度區(qū)間、70~120×10-7/k膨脹系數(shù)調(diào)整、粉體/漿料/預(yù)制件多種形式的制品和應(yīng)用需求。
根據(jù)紅外輻射加熱的技術(shù)原理,以及無(wú)鉛吸紅外封接玻璃焊料的光學(xué)特性,建材總院提出了全新的鋼化真空玻璃封接工藝,其紅外熱源可以整體覆蓋鋼化玻璃進(jìn)行輻射加熱,也可以針對(duì)封接區(qū)域進(jìn)行局部輻射加熱(局部輻射光源方式不限),但要求在封接區(qū)域及周邊2~5cm區(qū)域內(nèi)輻照強(qiáng)度分布均勻。
經(jīng)過(guò)3年多工藝試驗(yàn)及裝備開(kāi)發(fā),逐步優(yōu)化封接玻璃焊料紅外吸收特性設(shè)計(jì)和紅外輻射加熱技術(shù)的原理驗(yàn)證,研發(fā)團(tuán)隊(duì)相繼完成了300×300mm全鋼化真空玻璃封接爐原理驗(yàn)證樣機(jī)的制備;700×1000mm單體封接爐研制、放大工藝試驗(yàn)和樣品制備;以及1000×2000mm靠前代鋼化真空玻璃紅外快速封接線(xiàn)的建造。
期間,李要輝所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)深入開(kāi)展了基于光輻射加熱技術(shù)的快速封邊技術(shù)研究,取得了完整的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與工藝數(shù)據(jù),真實(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛低溫封接玻璃粉、封接裝備及封接工藝集成化技術(shù)體系建立。
“以上技術(shù)與裝備,創(chuàng)新了一條鋼化真空玻璃工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)路線(xiàn),非常大程度地縮短了鋼化玻璃被加熱的時(shí)間,降低了焊接時(shí)玻璃的溫度,可以使鋼化玻璃保留初始強(qiáng)度的85%以上,滿(mǎn)足建筑使用的強(qiáng)度和安全要求!崩钜x說(shuō)。
經(jīng)調(diào)試、運(yùn)行、驗(yàn)收的靠前條自動(dòng)化連續(xù)鋼化玻璃封接設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了含鉛/無(wú)鉛封接玻璃焊料+離線(xiàn)/在線(xiàn)Low-E玻璃型真空玻璃的批量制備,達(dá)到了6分鐘/片的高速制備效率。在超低熔點(diǎn)的無(wú)鉛焊接玻璃未能實(shí)現(xiàn)低成本、批量制備前,這可能是解決無(wú)鉛鋼化真空玻璃工業(yè)化生產(chǎn)的途徑。
創(chuàng)造性提出柔性支撐方案
除封接這一關(guān)鍵問(wèn)題之外,支撐物的有效支撐也成為李要輝研究團(tuán)對(duì)要點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題,也是其下一步繼續(xù)研究的方向所在。
“這是因?yàn),支撐物在真空玻璃制造和使用過(guò)程中始終扮演較重要的角色。支撐物材料、布放及有效支撐直接決定著真空玻璃的性能,支撐效果和質(zhì)量直接影響真空玻璃的使用承載能力和壽命!
目前,業(yè)內(nèi)多用定厚的金屬圓環(huán)、圓片或者圓球支撐物,以及鋼化釉料點(diǎn)狀支撐結(jié)構(gòu),均無(wú)法與鋼化玻璃的平整度進(jìn)行有效合理匹配。為此,建材總院提出了柔性支撐或者自適應(yīng)型支撐方案,即以新型的柔性、熱變形材料為依托,研制膨脹系數(shù)合適、彈性模量適中、熱變形可調(diào)的支撐體系。
項(xiàng)目組通過(guò)支撐物的預(yù)制、預(yù)燒后,在封接時(shí)可根據(jù)上下鋼化玻璃原片的平整度,即空腔間隙厚度,在一定的溫度下實(shí)現(xiàn)支撐物厚度、形狀以及接觸微結(jié)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)整,隨著溫度的降低固化支撐狀態(tài),達(dá)到較終的有效支撐。為此,對(duì)該支撐材料的熱學(xué)、力學(xué)(熱變形)特征做了精細(xì)研究,并對(duì)該材料的燒結(jié)、軟化、熔化以及流動(dòng)性、浸潤(rùn)性等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)摸索。
通過(guò)對(duì)不同玻璃陶瓷基支撐材料熱膨脹系數(shù)、熱變形溫度的篩選,可以實(shí)現(xiàn)其在400~450℃溫度范圍內(nèi)的一定軟化度,即可以在邊部夾持、負(fù)壓、配重等情況下,根據(jù)其與鋼化玻璃表面的接觸和擠壓情況,進(jìn)行形狀的改變。
在上述材料及理念的指導(dǎo)下,建材總院開(kāi)展了新型支撐體系的快速布置技術(shù)研究,由于支撐材料及結(jié)構(gòu)的自調(diào)整特性,對(duì)支撐物自身原始的尺寸精度要求大大降低,故絲網(wǎng)印刷技術(shù)、3D打印技術(shù)、點(diǎn)膠技術(shù)均可在真空玻璃支撐物設(shè)計(jì)和效率高布置中得到廣泛的應(yīng)用。建材總院開(kāi)發(fā)的支撐物介質(zhì)漿料和支撐物點(diǎn)膠印刷樣品已經(jīng)得到了驗(yàn)證應(yīng)用,經(jīng)過(guò)后續(xù)的產(chǎn)品系列化完善以及專(zhuān)項(xiàng)使用設(shè)備的開(kāi)發(fā),將會(huì)為高品質(zhì)鋼化真空玻璃的研制提供強(qiáng)大的優(yōu)化解決方案。
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