玻璃-陶瓷基支撐點(diǎn)對(duì)真空玻璃力學(xué)性能及熱導(dǎo)的影響

張 凡，王晉珍，徐 磊，李要輝

(中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024)

0 引 言

真空玻璃是一種新型玻璃深加工產(chǎn)品，是當(dāng)今世界上節(jié)能效果最好的玻璃產(chǎn)品。真空玻璃通過阻斷玻璃兩側(cè)的熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱，有效降低了玻璃門窗的傳熱系數(shù)，具有優(yōu)異的保溫效果，是當(dāng)前高效節(jié)能玻璃的發(fā)展方向[1-3]。真空玻璃由兩片平板玻璃中間形成真空腔體制備而成，為了抵抗外界的大氣壓力，保證兩片平板玻璃不會(huì)貼合，需要在兩片玻璃之間布放微小支撐物，從而起到隔熱效果。支撐物的材質(zhì)、形狀、尺寸及布放間距直接影響真空玻璃的受力、熱導(dǎo)率、透明度等各種性能[4-5]。

目前，真空玻璃支撐物多使用定厚的金屬圓環(huán)、圓片或者圓球狀支撐物以及鋼化釉料點(diǎn)狀支撐結(jié)構(gòu)。金屬圓環(huán)、圓片或者圓球支撐物主要是用人工或機(jī)械的方式將事先制備好的支撐物逐個(gè)布放在玻璃片上，其工藝操作繁瑣，工作強(qiáng)度大。每平方米玻璃上，真空玻璃支撐物的數(shù)量在1 600個(gè)左右，若采用手工或機(jī)械布放，錯(cuò)放、漏放和多放支撐物的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，廢品率高。鋼化釉料點(diǎn)狀支撐材料一般采用絲網(wǎng)印刷或者點(diǎn)膠工藝布放，但由于鋼化釉料本身強(qiáng)度高，剛性大，受力條件下形變量低，而鋼化玻璃本身具有一定的波形彎曲，導(dǎo)致各支撐點(diǎn)受力不均，影響真空玻璃的質(zhì)量和壽命[6-8]。本文制備了一種彈性模量適中、熱變形可調(diào)的玻璃-陶瓷基復(fù)合材料，研究了其應(yīng)用于真空玻璃支撐物材料時(shí)對(duì)真空玻璃受力、熱導(dǎo)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

按照表1配方，精確稱取各種原料(分析純)混合均勻?；旌狭显? 100～1 200 ℃熔化1～2 h熔制成玻璃液，熔融的玻璃液倒在不銹鋼板上，壓片，得到薄片狀玻璃樣品，將片狀玻璃樣品放入球磨罐中，使用全方位行星球磨機(jī)研磨30 min，過500目篩，備用。

表1 玻璃陶瓷粉體原料配方Table 1 Formulation of glass-ceramic powder /wt%

過篩后的玻璃粉與液體調(diào)和劑(松油醇類溶劑)按照質(zhì)量比為100∶12均勻混合調(diào)成漿料，將上述漿料經(jīng)三輥研磨機(jī)充分分散研磨后，離心真空脫泡15 min，得到均勻的支撐物基礎(chǔ)料漿，然后用點(diǎn)膠設(shè)備將調(diào)制好的漿料在玻璃片上均勻點(diǎn)膠支撐點(diǎn)矩陣。待漿料自然干燥后，隨玻璃物理鋼化，漿料高溫?zé)Y(jié)固化在玻璃表面，最后與另一片平板玻璃合片制備真空玻璃。

1.2 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

采用光學(xué)顯微鏡觀察支撐料粉體形貌，采用掃描電子顯微鏡分析支撐料物理鋼化后的微觀結(jié)構(gòu)，采用激光粒度分析儀測(cè)量粒度分布，采用體視顯微鏡觀察支撐點(diǎn)形貌和尺寸，采用絕熱法測(cè)量真空玻璃熱導(dǎo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 支撐物玻璃粉體粒徑分布及熱力學(xué)性能

點(diǎn)膠工藝要求料漿具有顆粒度小、低粘度和高觸變性的特點(diǎn)，由于玻璃粉體的粒徑分布會(huì)直接影響料漿的固含量、觸變性、流動(dòng)性以及燒結(jié)致密度，因此需要嚴(yán)格控制玻璃粉體的粒徑。圖1為支撐物材料粉體的顯微鏡照片，圖2為支撐物材料粉體顆粒及粒度分布圖。結(jié)果顯示破碎球磨后的玻璃粉體顆粒為不規(guī)則球形，粒徑基本都在10 μm以下，粒徑分布范圍集中在0.5～10 μm之間，分布均勻。

圖1 支撐物材料粉體形貌Fig.1 Morphology of support pillar material powder

圖2 支撐物材料粉體顆粒及粒度分布Fig.2 Particle size distribution of support pillar material powder

圖3為支撐物材料粉體的DSC-TG曲線，可以看出，材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為480.0 ℃，在684.3 ℃時(shí)放熱出現(xiàn)析晶峰，析晶后可以有效提高支撐點(diǎn)材料的強(qiáng)度。目前，物理鋼化一般采用的鋼化溫度為690～710 ℃，支撐物材料粉體的熔融、析晶溫度與鋼化溫度相匹配，因此該材料適合采用物理鋼化一步法進(jìn)行支撐點(diǎn)燒結(jié)固化。

圖3 支撐物材料粉體的DSC-TG曲線Fig.3 DSC-TG curves of support pillar material powder

圖4為支撐料物理鋼化后的SEM照片，鋼化溫度700 ℃，高溫段時(shí)間3.5 min，圖中可清晰觀察到較多的針狀晶體析出物，進(jìn)一步證實(shí)該玻璃材料具有較好的結(jié)晶特性，且具有較快的結(jié)晶速率，析出的晶體交錯(cuò)分布，此結(jié)構(gòu)對(duì)提高支撐點(diǎn)微結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能具有很好的強(qiáng)化作用。

圖4 支撐物材料物理鋼化后的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of support pillar material after thermal tempering

2.2 支撐點(diǎn)形貌

圖5為物理鋼化前玻璃表面支撐點(diǎn)的矩陣排布，可以看出，采用點(diǎn)膠工藝制備的支撐點(diǎn)，排列整齊，無錯(cuò)放、漏放、疊放等現(xiàn)象，支撐點(diǎn)一致性好。支撐點(diǎn)的間距一般控制在30～45 mm之間。

圖5 支撐點(diǎn)在玻璃表面矩陣排布Fig.5 Matrix of support pillars on the glass surface

圖6為單個(gè)支撐點(diǎn)鋼化燒結(jié)前后形貌，可以看出，點(diǎn)膠工藝布放的支撐點(diǎn)呈圓錐形，經(jīng)鋼化燒結(jié)后為表面光滑的半球狀凸起，且與鋼化玻璃牢固粘接在一起。支撐物的尺寸直接影響真空玻璃的視覺效果和熱導(dǎo)，支撐物直徑大于1 mm時(shí)會(huì)特別醒目，視覺效果差，會(huì)產(chǎn)生較大的支撐物熱導(dǎo)；支撐物太小不容易布放，且相同間距條件下，尺寸越小，單個(gè)支撐物受壓應(yīng)力越大。所以支撐物直徑一般控制在0.5～1.0 mm之間。

圖6 單個(gè)支撐點(diǎn)物理鋼化前后的形貌圖Fig.6 Morphology of support pillars before and after thermal tempering

表2為燒結(jié)前后部分支撐點(diǎn)的高度與直徑對(duì)比。通過對(duì)大量支撐點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，燒結(jié)前圓錐型支撐點(diǎn)高度平均值為0.970 mm，粘結(jié)面直徑為0.615 mm，燒結(jié)后支撐點(diǎn)高度平均值為0.484 mm，粘結(jié)面直徑為0.659 mm。這是由于物理鋼化過程中支撐點(diǎn)材料高溫熔融，具有一定的流動(dòng)性，支撐點(diǎn)高度明顯降低，粘結(jié)面直徑略微增加。從燒結(jié)后的數(shù)據(jù)可以看出，燒結(jié)固化后不同支撐點(diǎn)尺寸基本相近，具有很好的一致性，利于合片抽真空后各支撐點(diǎn)之間的應(yīng)力均勻分布。

表2 燒結(jié)前后支撐點(diǎn)高度與粘結(jié)面直徑Table 2 Height and bonding surface diameter of support pillars before and after thermal tempering /mm

2.3 支撐點(diǎn)受力分析

鋼化燒結(jié)后的支撐點(diǎn)表面為光滑的半球形凸起，在與另一片玻璃合片制備真空玻璃時(shí)，支撐物上表面與玻璃呈現(xiàn)“點(diǎn)接觸”，支撐點(diǎn)上表面及所接觸的玻璃受力較大。圖7為直接合片后支撐點(diǎn)的形貌，(a)、(b)為支撐點(diǎn)上表面,(c)為支撐點(diǎn)下表面，可以看出,在球形支撐點(diǎn)尖端有明顯的壓痕裂紋，甚至出現(xiàn)部分支撐點(diǎn)破碎。

圖7 直接合片后支撐點(diǎn)的形貌圖Fig.7 Morphology of support pillars in vacuum glass

增大支撐物上表面與玻璃的接觸面積，可以有效減小支撐物與玻璃的受力，防止玻璃出現(xiàn)壓痕或支撐點(diǎn)碎裂。采用600目砂紙，配重平板或精確磨床對(duì)支撐點(diǎn)尖端進(jìn)行往復(fù)打磨，然后采用1 000目砂紙對(duì)支撐點(diǎn)上表面進(jìn)行拋光。拋光后的支撐物高度一致，一般控制在0.2～0.35 mm之間。圖8(a)為處理后支撐點(diǎn)的形貌，可以看出，在支撐點(diǎn)上表面形成了一個(gè)平面，支撐點(diǎn)上表面與玻璃片的接觸由“點(diǎn)接觸”變?yōu)椤懊娼佑|”，可以有效增大支撐點(diǎn)與玻璃的接觸面積，減小支撐點(diǎn)上表面及玻璃接觸面的接觸應(yīng)力。圖8(b)為抽真空后該支撐點(diǎn)的形貌，與抽真空前相比較無明顯變化，與圖7比較，支撐點(diǎn)“面接觸”后，不會(huì)發(fā)生支撐點(diǎn)破碎和壓片玻璃微裂紋出現(xiàn)的情況，支撐點(diǎn)結(jié)構(gòu)完整。

圖8 支撐點(diǎn)處理后的微觀形貌圖Fig.8 Morphology of support pillars after processing in vacuum glass

表3為抽真空前后上表面直徑變化數(shù)據(jù)，平均直徑由0.549 mm增加到0.604 mm。說明該材料本身彈性模量適中，在受力條件下可發(fā)生微弱的彈性變形，對(duì)形狀進(jìn)行了適當(dāng)微調(diào)以緩解部分應(yīng)力集中。

表3 抽真空前后支撐點(diǎn)上表面直徑Table 3 Upper surface diameter of support pillars before and after vacuum extraction /mm

2.4 支撐點(diǎn)間距對(duì)熱導(dǎo)的影響

支撐物熱導(dǎo)是真空玻璃傳熱系數(shù)的影響因素之一，一般的，支撐物間距越大，支撐物直徑越小，支撐物熱導(dǎo)越小[4,9-11]。表4為支撐物間距和直徑不同時(shí)真空玻璃熱導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表，對(duì)比1～6組可以看出,隨著支撐點(diǎn)間距的增大，真空玻璃的熱導(dǎo)逐漸降低；對(duì)比5～8組可以看出，支撐點(diǎn)直徑減小后，熱導(dǎo)降低。通過對(duì)4塊樣品260個(gè)支撐點(diǎn)(1號(hào)、2號(hào)樣品各81個(gè)，7號(hào)、8號(hào)樣品各49個(gè))觀察發(fā)現(xiàn)，僅有一個(gè)支撐點(diǎn)邊部微小破裂，其余支撐點(diǎn)均完好。值得注意的是，7號(hào)、8號(hào)兩塊樣品中，玻璃內(nèi)部與支撐點(diǎn)上表面接觸的平板玻璃內(nèi)表面觀察到微裂紋，如圖9所示，而與初始玻璃粘接一側(cè)沒有變化。該現(xiàn)象說明：隨著支撐點(diǎn)間距增大，支撐點(diǎn)周圍應(yīng)力增大，平板玻璃表面壓應(yīng)力容易超出平板玻璃表面壓應(yīng)力承受范圍，出現(xiàn)壓縮性裂紋。故在兼顧低熱導(dǎo)率的前提下，應(yīng)適當(dāng)減小支撐點(diǎn)間距，以保證真空玻璃構(gòu)件整體強(qiáng)度和疲勞安全性。

表4 真空玻璃熱導(dǎo)測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)表Table 4 Thermal conductivity comparison of vacuum glass for different support pillars

圖9 支撐點(diǎn)周圍平板玻璃出現(xiàn)微裂紋Fig.9 Micro-cracks in the plate glass around the support pillars

3 結(jié) 論

(1)制備了支撐物材料粉體，粒徑分布范圍集中在0.5～10 μm之間，支撐物材料物理鋼化后會(huì)有晶體析出，為玻璃-陶瓷結(jié)構(gòu)，提高了支撐點(diǎn)的強(qiáng)度。

(2)采用點(diǎn)膠工藝可以在平板玻璃表面獲得尺寸均勻的支撐點(diǎn)矩陣，經(jīng)鋼化工藝燒結(jié)處理后，可獲得高度在0.2～0.35 mm，直徑在0.5～1.0 mm之間，尺寸及形貌可控的支撐點(diǎn)矩陣。

(3)半球形支撐點(diǎn)接觸面積小，容易導(dǎo)致支撐點(diǎn)碎裂，采取優(yōu)化措施使“點(diǎn)接觸”轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊娼佑|”可以有效緩解應(yīng)力集中，解決支撐點(diǎn)碎裂及玻璃接觸表面微裂紋的問題。

(4)支撐點(diǎn)的大小和排列間距直接影響真空玻璃的熱導(dǎo)，在兼顧低熱導(dǎo)的前提下，適當(dāng)調(diào)節(jié)支撐點(diǎn)尺寸和間距，是制備力學(xué)性能穩(wěn)定真空玻璃的有效途徑之一。