玻璃的机械性质和几种关键技术发展分析

     对玻璃深加工企业而言，洞悉玻璃的机械性质是必不可少的环节，对指导玻璃的生产过程有着重要的作用。我国玻璃深加工生产技术在某些领域已接近国外先进国家的水平，但整体玻璃深加工生产技术同国外比差距仍然较大，部分技术含量高的产品与生产线工艺研究尚未形成规模，产业化上还是一片空白，这给我们带来了巨大的压力和挑战。如何在短时间内缩小同国外先进生产水平的差距，加快玻璃深加工生产技术的推广及其产业化的推进，是当前亟待解决的问题。自上世纪90年代起，材料科学取得了重大的创新和突破，利用高新技术开发出了多种环保型、节能型、智能型等深加工玻璃，赋予其新的机械、电、光、化学等方面的功能，进一步增强玻璃的使用效果和应用领域。本文从玻璃的机械性质出发，重点阐述造成实际强度低的关键因素，分析几种关键玻璃深加工技术的发展趋势。
　　
　　1玻璃机械性能的影响因素
　　
　　1.1表面微纹
　　
　　玻璃表面存在的许多微裂纹会导致玻璃实际强裂度及性能大幅降低，据研究可下降3~5倍。微裂纹的产生可归纳为以下几种：①玻璃Si-O结构排列缺陷造成的。这种微裂纹肉眼是无法觉察到的，在电子显微镜下可观测到数目繁多的分布不规则裂纹，是当前的浮法工艺很难克服的问题。②加工过程中产生机械加工损伤或人工操作不当造成的。要采取措施，轻拿轻放，谨防磕碰；注意玻璃生产方向与加工方向一致；注意加工和放置的角度等，防止新增裂纹或裂纹扩大，从而避免在钢化等一系列的热处理中发生炸板、裂板。③磨边、钻孔等冷加工工艺不当，表面纹裂会进一步扩展。需根据加工工艺和玻璃等级，选择合适的工具。如磨轮、钻头的目数尽量高一等级或最细，因为目数越粗越易引起玻璃表面产生损伤；④根据不同玻璃的成份及时调整加工工艺。如加工硼玻璃、石英玻璃、钠玻璃应调整磨轮材质和加工吃刀深度，防止受力和目数过大引发新裂纹或使原有裂纹扩展。
　　
　　1.2宏观缺陷
　　
　　平板玻璃制作过程中产生结晶夹杂物、光学变形等，即宏观缺陷。如澄清不良或工艺问题导致的气泡、原料颗粒度大和杂质多导致的结石（如积渣、硫化镍颗粒）及玻璃体火层物，它们与主体玻璃的组成存在很大差异，导致内应力不均匀，在后续热处理时易产生膨胀不均，内应力扩大，导致玻璃的强度下降，甚至产生裂纹或炸板。对于玻璃表面的光畸变和表面平整度等缺陷，尤其是应用在电子玻璃、光伏玻璃等高端产品上，必须予以克服。要根据产品需要，对每道工序加强检查，特别是第一道的切割工序，采用对料切片法彻底切除这些缺陷部位。
　　
　　1.3微观晶相区不均匀
　　
　　这类缺陷属于玻璃结构缺陷。电镜显示玻璃体内部存在许多微相区域，与均匀相之间由于成份差异导致玻璃产生了内应力。主要是混料不均、窑炉液流、工艺配方、杂质等因素造成，是无法彻底根除的。加热处理时微相区增长，内应力扩大，导致玻璃的实际强度降低，甚至产生炸裂。因此，如采用钢化、夹层加热、均质加热、镀膜加热等工艺生产时必须选择优质浮法玻璃。
　　
　　1.4不同成份玻璃的应用特性
　　
　　玻璃通常按主要成份分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃。非氧化物玻璃品种和数量很少，主要有硫系玻璃和卤化物玻璃。硫系玻璃的阴离子多为硫、硒、碲等，其电阻低，具有开关与记忆特性。卤化物玻璃的折射率低，色散低，多用作光学玻璃。氧化物玻璃分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。因其强度、工艺特点不同，应用范围不同，不能混淆。如硅酸盐玻璃中的石英玻璃热膨胀系数低，耐高温，化学稳定性好，透紫外光和红外光，多用于半导体、电光源、光导通信、激光等技术和光学仪器中；钠钙玻璃成本低廉，易成形，适宜大规模生产，可生产玻璃瓶罐、平板玻璃、常规器皿等。由于钠易置换，因此用作TFT-LCD时，使用寿命不尽理想；铅硅酸盐玻璃具有独特的高折射率和高体积电阻，与金属有良好的浸润性，可用于制造灯泡、真空管芯柱、晶质玻璃器皿、火石光学玻璃等。含有大量PbO的铅玻璃能阻挡X射线和g射线；硼硅酸盐玻璃具有良好的耐热性和化学稳定性，用以制造烹饪器具、实验室仪器、金属焊封玻璃、防火玻璃等。因此深加工时要根据玻璃各自特点如硬度等选择不同的冷热加工工艺。
　　
　　2三种关键玻璃深加工技术的发展趋势
　　
　　材料科学的创新和突破及高新技术的应用，使玻璃功用和性能进一步改善了人们的工作和生活环境。以下几种关键技术的发展将对未来产生深远影响。

    2.1玻璃镀膜技术
　　
　　玻璃镀膜技术分为在线镀膜和离线镀膜，前者主要使用CVD（化学气相沉积）法、粉末涂喷法，其发展趋势为LCVD（液相热喷镀沉积镀膜技术）及PECVD法；后者包括离线CVD（化学气相沉积）、真空电弧离子镀膜技术、真空磁控溅射技术、溶胶法、喷涂法、辊涂法等。几种发展较好的、前景较为广阔的技术有：
　　
　　（1）PECVD法在线制备增强透明导电TCO膜（SiO、SnO）及Low-E膜。其特点为产量大、成本2低、膜层硬度高、稳定性好、可加工性高、晶粒成长快速、产品保存时间长等特点。但成品率低，主线易波动，光学性能差，膜系较少。目前稳定运行一段时间就需要清洗。其需要解决的核心问题主要是：喷嘴材质（高温、环境恶劣）和加工精度、混合液成份配比、混合气氛及叠层均匀度问题。该技术主要掌握在英、美、日等少数玻璃制造商手中，国内设备供应商很少，不够成熟、稳定。大多产品处于实验室研发阶段。
　　
　　（2）真空磁控溅射法离线制备ITO、TCO、AZO、纳米自洁净（TiO）、Low-E、智能玻璃（含2钒氧化物）、CIGS铜铟镓硒（CGS）等膜。其主要特点是膜层稳定和厚度易控制，均匀性好，导电率稳定，可激光划刻设计流水线，调整灵活，膜系种类多。但成本略高、膜软、产品储存时间短（需尽快后续加工封装）、设备价格高、生产工艺复杂、电导率略低、膜系牢固度略低。其需要解决的核心问题主要是：①设备/产品的精细化生产工艺的开发，并力求简单实用；②新型膜系及靶材材料和工艺的研发。由于专利和技术封锁，国内设备研发水平与国外相比差距巨大；③生产线的稳定性和自动化程度有待提高。部分关键设备的国产化有待提高。除Low-E线成品率较高外，其它各线总体成品率均较低，关键设备如电源、泵、靶材大部分为进口，部分成套设备依赖进口，制造成本和生产成本较高。④磁场设计与分布及溅射离子状态的理论研究需要深化。这样既可确保膜层的稳定又可延长靶材使用时间。⑤光伏、电子镀膜设备大型化，满足大规格生产。
　　
　　真空磁控溅射技术适应大面积、连续镀膜技术发展，对膜均匀性、重复性、靶材利用率方面的要求越来越高，国内外正大力推广旋转圆柱、孪生圆柱的磁性溅射靶，推广使用旋转磁控柱状的弧源离子镀膜术。
　　
　　（3）溶胶法、喷涂法、辊涂法等离线制备增透膜、纳米自洁净膜、碲化镉与CGS膜等。主要特点是成本低、效率高、产量大、设备投入少。缺点是膜层不易控制，厚薄不均，致密度较低，晶格生长畸形、成品率低。需要解决的核心技术主要有：浆液成份配比及生产工艺、设备制造精度及膜层厚度控制、温度分区控制晶格生长、成品率不高等。
　　
　　2.2新型玻璃技术
　　
　　虽然未完全工业化却拥有较好的市场前景的生产技术：
　　
　　（1）电（热）致变色玻璃。该玻璃实质上采用了可选择性细调阳光光谱特性的电子器件，有多层膜系，允许透过大多数可见光，反射几乎全部红外光，而自身发射特性低。理想中的电（热）致变色玻璃应该是一个无需电源的超级太阳能空调，具有保温、隔热、照明等功效。
　　
　　（2）智能玻璃。该玻璃是在普通玻璃表面镀3~4层膜，其中有粘合层、反应层及保护层。通过太阳光照射玻璃表面形成温度来控制膜内材料的反应，主要是根据不同元素物理特点，在不同状态下的趋光和阻光特性，自动控制透射入的光线，目前常用钒元素。国内正在试验阶段，行业内大多认为是Low-E玻璃的后续发展产品。
　　
　　（3）夹层液晶玻璃。该玻璃常用于建筑、汽车顶棚、电子显示屏，其内表面具有导电膜导电体玻璃和采用树脂包裹而成的液晶以及夹在两玻璃板之间的PVB、PET胶片。当不存在电位差的时候，通过液晶的入射光发生散射，玻璃板也呈现出不透明的状态，反之，在电场作用下，液晶量定向排列使玻璃板呈透明状态。化学亲和智能玻璃与之雷同。
　　
　　（4）真空玻璃。该玻璃的制造方法是在2片干净的玻璃板如浮法玻璃、钢化玻璃、压延玻璃等之间安放支撑物，四周再用焊接玻璃封边，然后于450℃的高温加热15~50min，使用真空泵从合适的抽气孔抽出真空。真空玻璃具有保温、防结露霜、隔声等功效，属于一种新型的绿色环保材料。
　　
　　3结语
　　
　　不同的玻璃具有不同的机械性质，不同的加工工艺对玻璃的要求也不尽相同。根据不同的玻璃选择合理的加工工艺，是做好玻璃加工的前提。如制作钢化真空玻璃，则就要求玻璃的封接料熔点低，最好能低于400℃，或缩短高温封接时间，使钢化玻璃在应力消除之前就能完成封接，以期制作好的真空玻璃仍有较高的强度。