钢化玻璃自爆源和自爆机理分析
摘要:通过对钢化玻璃自爆残片的电镜观察和成分分析，发现引起钢化玻璃自爆源不仅仅是传统认识中的硫化镍微粒，还有许多其它异质相颗粒，如：单质硅、氧化铝和硅铝酸钠等。采用有限元对各种自爆源微粒引起自爆的力学机理进行了分析。结果表明玻璃中的裂纹萌发和扩展主要是由于异质颗粒引起的残余拉应力和玻璃本身残余应力综合作用所导致。导致这种局部应力集中的原因可以分为两类：一类是在相变膨胀过程所产生的应力，另一类是由于异质颗粒与玻璃基体的热膨胀系数不匹配而产生的应力。
关键词：钢化玻璃自爆应力机理
1我国钢化玻璃自爆的研究现状
随着社会的发展和科学技术的进步，玻璃在人们的日常工作和生活中的应用越来越广泛。为提高玻璃的安全性和强度，钢化玻璃普遍使用于汽车风挡、建筑幕墙、家具灶具等制品。但是，由于玻璃本身是一种脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度，在断裂过程中几乎没有任何塑性变形，破坏往往是突发性的和灾难性的。到目前为止，国际上还没有行之有效的方法避免玻璃产品的突发性破坏。汽车玻璃的自爆、建筑幕墙玻璃破碎下“玻璃雨”、浴室玻璃突然炸裂、钢化玻璃茶几和灶具等的破碎伤人事件仍然不断被报道。在繁华的市区，钢化玻璃制品成了“定时炸弹”，特别对于悬挂于高层建筑上的玻璃幕墙，任何一起幕墙玻璃的破裂或坠落事故都可能造成灾难性的后果。近几年来，幕墙玻璃的安全隐患越来越多，已经引起了国内外专家和各国政府的关注[1-5]。
中国是世界上玻璃幕墙最多的国家（超过世界总量的一半），玻璃幕墙的安全问题不容忽视。到2004年底，我国已建成了约1.1亿平方米的各式建筑幕墙（包括采光屋面），占世界总量的50％以上，其中明框、隐框约占全部幕墙的60％左右。近几年，玻璃幕墙破裂事故频繁发生，例如上海日报2006年8月2日报导，上海锦江国际购物中心外36层玻璃幕墙上一块玻璃突然坠落，溅落的玻璃碎片洒落到大楼门前约40平方米范围的人行道和马路上。2006年6月20日辽宁晚报报导，大连市一栋高楼20层的一块玻璃幕墙掉下，碎片砸伤16人。2006年6月，深圳又发生一起玻璃幕墙坠落砸死小学男生的不幸事件。2006年9月8日，南京市山西路某大厦一块玻璃幕墙从13楼坠落，砸伤6名行人。2006年7月31日晚，上海市中信泰富大厦玻璃幕墙爆裂，下了一场长达75分钟的“玻璃雨”，2人受伤。
显然，了解钢化玻璃自爆的真正原因和机理，对减少和防止事故发生是至关重要的。一般认为玻璃自爆起因可分为两种：一是由玻璃中可见缺陷引起的自爆，如表面划痕或边缘缺陷的发展等。二是由玻璃中硫化镍(NiS)杂质发生相变膨胀引起的自爆。前者检测相对容易，故生产中可控。后者则主要由玻璃中微小的硫化镍颗粒体积膨胀引发，无法简易检验，故不可控。在实际处理上，前者一般可以在安装前剔除，后者因无法检验而继续存在，成为使用中钢化玻璃自爆的主要因素，一般提到的自爆均指后一种情况。由于硫化镍引发的自爆无法预测，且在服役中的自爆会造成较大的经济损失，被称为“玻璃癌症”。所以，本工作的目的就在于研究钢化玻璃的自爆源类型和机理，从而减少和防止钢化玻璃自爆事故的发生。
2研究方法与过程
一般情况下，钢化玻璃的自爆起因于拉应力层中的杂质颗粒引起的应力集中。其典型的破坏形貌如图1所示。自爆的共同特征是破坏源处都有一对蝴蝶形状的碎片（蝴蝶斑），蝴蝶斑中间的界面上通常为破坏源发生点，并能在界面的拉力层找出引起破坏的杂质颗粒。为明晰钢化玻璃的自爆机理，本研究收集了9块钢化玻璃自爆现场的玻璃碎片，并对自爆源进行了分析。在自爆源处的蝴蝶斑块状的玻璃碎片上，均发现横断截面上存在微小颗粒，通过扫描电镜（LEO,Oberkochen,Germany）观察并进行局部颗粒成分分析，并采用有限元方法从理论上分析自爆产生的机理，从而完善钢化玻璃自爆的机理。
3钢化玻璃自爆机理的研究结果
3.1硫化镍微粒引起钢化玻璃自爆的机理
硫化镍微粒引起钢化玻璃自爆的机理已经得到广泛的研究[6-9]。图2为典型的硫化镍微粒形貌图，图3为相应的能谱分析结果。硫化镍是一种晶体，存在高温相和低温相，相变温度为379℃。玻璃在钢化炉内加热时，因为加热温度高于相变温度，硫化镍全部转化为高温相。在随后的淬冷过程中，高温相来不及转变为低温相，从而被冻结在钢化玻璃中。在室温环境下，高温相是不稳定的，有逐渐转变为低温相的趋势。这种转变伴随着约2%~4%的体积膨胀，使玻璃承受巨大的相变张应力，从而导致自爆。为了减少由硫化镍微粒引起的自爆，可以对钢化玻璃进行均质处理[10,11]。国内外的很多钢化玻璃厂家都采用了均质处理工艺来预防自爆，但实际应用效果表明，进行均质处理后的钢化玻璃，在服役过程中仍然会发生自爆现象。
3.2异质颗粒引起的钢化玻璃自爆的机理
我们从不同场合收集到9块玻璃自爆裂纹源的蝴蝶斑碎片，均找到在界面上的破坏源小颗粒，直径约为0.1-0.4mm。这些小颗粒都是在距玻璃表面有一定深度的拉应力层，如图4所示。图4中的痕迹清楚地显示了破坏过程，首先由于颗粒膨胀在玻璃的拉应力区引起局部一次开裂，进而产生二次破裂和整体破碎。
为了进一步分析这些破坏源小颗粒的形貌和成分，将这些碎片在相同的条件下进行扫描电镜观察和能谱分析。结果表明导致钢化玻璃自爆的杂质颗粒不仅仅是硫化镍颗粒，很多情况下是由于其它的异质相颗粒如单质多晶硅、氧化铝和硅铝酸钠等引起的。在我们所找到的9块样品中，有5块是单质多晶硅、2块是NiS，1块是Al2O3,1块是Na2Al2Si5O10。正是由于很多自爆现象都是由这些异质相颗粒所引起的，所以国内外钢化玻璃企业针对硫化镍所进行的均质处理，并不能完全避免钢化玻璃服役过程中的自爆现象。
由于单质多晶硅、氧化铝和硅铝酸钠等颗粒造成钢化玻璃自爆的机理非常类似，所以我们以典型的异质颗粒单质多晶硅为例说明这类颗粒引起的钢化玻璃自爆的机理。图5是典型的异质颗粒单质多晶硅的截面图以及沿图中白线所采集的能谱分析结果。
颗粒大部分都是圆球形状的，表面非常圆滑，如图5所示。测得其显微硬度值为6.5GPa，比周边的玻璃硬度(5.4GPa)要高一些。单质硅的膨胀系数约为3～5×10－6K-1,而普通钠钙硅玻璃的膨胀系数大约是其两倍。在玻璃的降温过程中周边的玻璃对单质硅球形颗粒产生越来越大的压应力，反之单质硅微粒对周边的玻璃形成相同的径向压应力和切向拉应力。对于物理钢化玻璃，表面受压应力，中间是与表面压应力保持平衡的拉应力区。单质硅颗粒周围的切向拉应力与钢化玻璃的拉应力叠加，使得颗粒周围垂直于玻璃面的平面拉应力达到最大，当这种局部拉应力达到一定程度就可导致玻璃破裂。同时当最大拉应力接近玻璃的断裂强度便形成一种危险的不稳定系统，一旦有温度变化或者外部受力，局部应力峰值就可能超过强度值而发生破坏。从图4中可以看出颗粒边缘处的玻璃受到挤压并在切向有开裂的痕迹。玻璃中的局部应力主要是由于玻璃和单质硅颗粒的膨胀系数之差所引起。根据弹性理论，这种挤压应力主要由温差和两种材料膨胀系数之差及弹性系数所决定。在颗粒周边的玻璃中应力状态是球对称分布，并且随距离而快速衰减，径向和切向应力的绝对值相差一倍，即最大径向应力的绝对值是同一点切向应力的两倍。它们可以表示为：（略）
颗粒将受到静水压力，反之受到静水拉力。对于硅颗粒在玻璃基体中，降温过程温差是负的，所以颗粒周边的径向应力是压力，切向应力是拉力，所以切向应力是裂纹启始的根源。
上述公式表明，为了进一步认识颗粒周边的应力分布和断裂机理，采用有限元方法对温差和膨胀系数的不一致引起的局部应力进行模拟。有限元网格划分为40000单元，温差为600℃，硅颗粒和玻璃的弹性模量分别为110GPa和70GPa，颗粒周边的剪切应力分布的计算结果如图6(a)所示。它表明降温过程中颗粒周边确实有较大的应力集中，而且这种应力梯度随颗粒尺寸的增大而增大，也就是说，颗粒越大，存在拉应力的厚度层越大，也就越容易导致破坏。这种结果也可以从图6(b)中两个颗粒周边的应力层厚度比较看出明显的应力层厚度差别。从理论计算公式来看，只要材料参数和温度参数给定，颗粒边缘的最大拉应力就可以算出，而且该应力峰值与颗粒大小无关。但当颗粒很小的时候往往不会导致破裂，这是由于应力所占的空间不足以使得断裂发生，根据均强度准则[13]，脆性材料的断裂起始取决于跟材料性能相关的区域内的平均应力，而不是取决于一点的应力峰值。因此，小颗粒边缘一点的应力峰值虽然达到强度值，但不能引起开裂。单质硅的热膨胀系数比玻璃基体的热膨胀系数小，玻璃生产时在玻璃缓慢冷却过程中单质硅周围的挤压应力逐渐增大，从而在周围的玻璃中产生较大的切向拉应力，当这些区域正好处于钢化玻璃的拉应力区时，该颗粒周边的应力集中可能导致玻璃的破裂。由于该处的应力总是大于其他地方，即使没有达到破坏应力，当受到一定的外力或变温时，破坏也总是会从该处开始。由于单质硅颗粒在降温过程中使玻璃产生局部应力，常规的均化炉升温过程很难引爆含有硅颗粒的钢化玻璃。因此，含有单质硅颗粒的钢化玻璃很难在常规的均化过程中排除。
4结论
通过对不同场合发生自爆的钢化玻璃的破坏源玻璃碎片横截面的分析，发现引起钢化玻璃自爆的来源不仅仅是传统认识中的硫化镍微粒，还有许多其它异质相颗粒如：单质硅、氧化铝和硅铝酸钠等。在收集到的总共9个案例中引起自爆的小颗粒中发现有5块是单质多晶硅、2块是NiS，1块是Al2O3,1块是Na2Al2Si5O10。玻璃中的裂纹萌发和扩展主要是由于异质颗粒引起的残余拉应力和玻璃本身残余应力综合作用所导致。造成钢化玻璃自爆的应力主要有两类：一类是由于相变过程所产生的应力，另一类是由于异质颗粒与玻璃的热膨胀系数不匹配而产生的残余应力。
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