抗輻照玻璃生產(chǎn)過程中氣泡的產(chǎn)生與對策

董永亮

（秦皇島星箭特種玻璃有限公司 秦皇島 066000）

0 引言

氣泡是玻璃熔化成形過程中常見的一種缺陷，玻璃中氣泡產(chǎn)生的主要原因有：一次氣泡（配合料殘留氣泡）、熔化二次氣泡、外界空氣氣泡、耐火材料氣泡和外界金屬（如金屬鐵、鋁等）污染氣泡等多種。在實際生產(chǎn)過程中，玻璃產(chǎn)生氣泡的原因很多，其產(chǎn)生的情況也很復(fù)雜。通常需要判斷氣泡是如何產(chǎn)生的，研究氣泡產(chǎn)生的熱歷史過程，再根據(jù)原料、熔制、成形、退火工藝技術(shù)參數(shù)條件，采取相應(yīng)的措施加以解決。

抗輻照玻璃是一種用于太空飛行器上硅太陽能電池表面的防護(hù)材料，其具有抗高能粒子輻照、耐高低溫沖擊、高透過率等優(yōu)良性能，隨著航天科技的迅速發(fā)展，我國各類新形衛(wèi)星、登月設(shè)備、空間站、深空探測設(shè)備等航天裝備越來越多，各類航天設(shè)備對一次能源和溫度控制系統(tǒng)的要求也越來越高。而作為航天器一次能源系統(tǒng)的配套產(chǎn)品，抗輻照玻璃蓋片本身質(zhì)量對能源系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要的影響，也直接影響航天裝備的應(yīng)用壽命。由于抗輻照玻璃的組成是含有氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%以上的玻璃制品，熔化時玻璃液的黏度較大，其熔化和澄清困難，而這種玻璃的成形料塊需要無條紋、無氣泡、無結(jié)石、無線道、無節(jié)瘤等缺陷，以滿足空間飛行器的長時間工作要求。

1 空間抗輻照玻璃生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的氣泡問題

1.1 生產(chǎn)工藝流程

（1）設(shè)計玻璃的配方

據(jù)空間抗輻照玻璃的性能及熔制、成形工藝要求，設(shè)計玻璃組成配方，空間抗輻照玻璃配方中以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計：SiO253%～65%，Al2O33%～7%，B2O37%～11%，CaO 1%～4%，ZnO 1.5%～2.5%，MgO 4%～6%，Na2O 4.5%～8.5%，SrO 3.5%～6.5%，K2O 2%～4%，CeO24%～9%，Li2O 0.3%～1.9%，Sb2O30.1%～0.6%。

（2）熔化

按上述組分配比的原料經(jīng)過混合均勻后加入電熔窯中，熔化溫度為1 550～1 640 ℃，熔化時間為24～36 h；

（3）澄清均化

熔化好的玻璃液通過流液洞依次進(jìn)入豎直上升道和水平主料道進(jìn)行澄清均化，澄清均化溫度范圍為1 580～1 680 ℃，熔化時間為30～40 h；

（4）成形

經(jīng)澄清均化好的玻璃液進(jìn)入成形模具，成形溫度控制在1 100～1 250 ℃之間，拉引速度為8～40 m/h，玻璃厚度為20～60 mm；

（5）退火

成形后的玻璃帶進(jìn)入退火窯進(jìn)行精密退火，退火溫度范圍為530～590 ℃，熔化時間為20～40 h；

（6）切割、包裝出廠

退火完成后的玻璃蓋片根據(jù)所需要的尺寸進(jìn)行切割等冷加工處理，同時根據(jù)具體使用需要進(jìn)行表面增強(qiáng)處理，玻璃產(chǎn)品檢驗合格后包裝出廠。

1.2 主要配置及技術(shù)參數(shù)

抗輻照玻璃采用電熔窯來熔化的技術(shù)方案，電熔化的實質(zhì)是在高溫情況下，在無機(jī)材料中電極端施以交變電壓，驅(qū)使高溫導(dǎo)電離子的往復(fù)運(yùn)動。在玻璃介質(zhì)中產(chǎn)生焦耳熱使之溫度升高，電熔窯應(yīng)用于幾乎所有玻璃，特別是難熔玻璃。目前，全電熔爐規(guī)模從日產(chǎn)幾十千克到日產(chǎn)100噸以上，并呈不斷擴(kuò)展的態(tài)勢。

電熔爐的特點是結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，死角少，放料溢料靈活，挑料滴料無臟料，耐材優(yōu)化配置，即用材強(qiáng)度和質(zhì)量提高，避免過熱過冷沖擊，爐齡大大提高（最長可以應(yīng)用3～5年），信息化、數(shù)字化甚至智能化在電熔玻璃窯爐中應(yīng)用越來越廣泛。

（1）電熔窯窯爐結(jié)構(gòu)為四方形，采用4對電極的熔化方案，電熔窯中在玻璃液不同深度處布置兩層鉬加熱電極，每層設(shè)置一對鉬加熱電極。鉬加熱電極中的鉬含量不小于99.95%，密度大于10.15 g/cm3，鉬加熱電極的長度為1 500 mm，直徑為f80 mm。

（2）流液洞的橫截面為矩形，該矩形的高度為180 mm、寬度為200 mm。

（3）豎直上升道為與水平主料道垂直設(shè)置的豎直通道，通道內(nèi)全部充滿玻璃液，該豎直中空通道內(nèi)部有分上、下層設(shè)置的2個鉬電極加熱元件。

（4）水平主料道為水平放置的上部為中空、下部為玻璃液的通道，該通道內(nèi)部的頂端設(shè)置有硅碳棒加熱元件，通道的頂端還設(shè)置有通孔，攪拌棒穿過通孔并借助定位機(jī)構(gòu)定位，該通道的入口與豎直上升道的出口連通。

（5）退火窯結(jié)構(gòu)中包括玻璃帶入口、玻璃帶出口及在窯內(nèi)設(shè)置的玻璃帶傳送網(wǎng)帶，在玻璃帶傳送網(wǎng)帶上、下方設(shè)置電熱絲，玻璃帶入口與成形機(jī)的出口連接。

（6）電熔窯、流液洞及澄清均化用通道均是用氧化法無縮孔澆筑41#無縮孔電熔鋯剛玉磚砌筑而成。

在抗輻照玻璃生產(chǎn)中，初期成形過程中的玻璃料塊里氣泡密集，塊狀玻璃制品無法進(jìn)行二次加工，嚴(yán)重影響玻璃的成品率 。成形玻璃的氣泡分布見圖1。

圖1 生產(chǎn)實驗初期氣泡分布情況

從圖1中可以看出，玻璃中的氣泡分布沒有規(guī)律，玻璃斷面的所有位置都有氣泡產(chǎn)生，其產(chǎn)生的原因可能會有多種，需根據(jù)氣泡產(chǎn)生的原因進(jìn)行有針對性地分析、調(diào)整和解決。

2 氣泡來源分析

2.1 內(nèi)部氣泡

抗輻照玻璃熔化實驗初期，玻璃料塊內(nèi)部氣泡密集產(chǎn)生。此時在熔化池直接取一定量的玻璃液進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熔化池所取樣品并無氣泡，如圖2所示。

圖2 熔化池取玻璃液樣品氣泡情況

因此排除了由于熔化而產(chǎn)生氣泡。在攪拌鍋內(nèi)部處取出一定量的玻璃液進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)攪拌鍋處玻璃液中有明顯氣泡分布，如圖3所示。

圖3 攪拌鍋處取玻璃液樣品氣泡情況

分析其原因，可能是由于上升道和料道二次加熱而產(chǎn)生的氣泡。

2.2 表層氣泡

當(dāng)玻璃料塊內(nèi)部氣泡消失后，成形時玻璃上表層出現(xiàn)線狀氣泡，在出料口管壁位置用看火鏡片觀察，發(fā)現(xiàn)氣泡順著出料口管壁流出，在攪拌鍋處取玻璃液進(jìn)行觀察，所取樣品沒有發(fā)現(xiàn)氣泡，判定氣泡產(chǎn)生原因是由攪拌鍋外鉑金出料管二次加熱產(chǎn)生。綜合進(jìn)行分析，兩次氣泡產(chǎn)生都是由于二次加熱，說明熔化池的玻璃液溫度較低。調(diào)整后料塊里氣泡消失后表層成形時氣泡分布情況如圖4所示。

圖4 表層成形時氣泡分布

3 玻璃液中氣泡消除方法

3.1 增大熔化部電流，提高玻璃液整體溫度

當(dāng)熔化部鉬電極電流為750 A時，池壁溫度為870 ℃；熔化部鉬電極電流加至850 A時，池壁溫度達(dá)到940 ℃；再次增加熔化部鉬電極電流至1 000 A時，熔化部池壁溫度達(dá)到1 000 ℃，此時變壓器輸出達(dá)到額定上限。取熔化池玻璃液樣品觀察分析，未發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生。

3.2 降低上升道電極和料道電極電流

為避免二次加熱產(chǎn)生氣泡，調(diào)整電流使上升道電極和料道電極只起到輔助保溫作用，促進(jìn)熔化部溫度達(dá)成平衡狀態(tài)。

（1）當(dāng)上升道電極電流200 A、料道電極210 A時，熔化部池壁溫度900 ℃（采用盲孔測溫），上升道溫度920 ℃（采用盲孔測溫）、料道池壁930 ℃（采用盲孔測溫），溫度高于熔化部溫度，在攪拌鍋處取玻璃液樣品觀察分析，發(fā)現(xiàn)玻璃液中有密集氣泡存在，同時取熔化池內(nèi)玻璃液樣品，未發(fā)現(xiàn)有氣泡。

（2）當(dāng)上升道電極電流180 A，料道電極170 A時，并適當(dāng)增加熔化部電流，池壁溫度達(dá)到1 000 ℃，上升道、料道溫度分別為985 ℃和975 ℃，攪拌鍋處取玻璃液樣品觀察分析，玻璃液質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生。

3.3 提升攪拌鍋空間溫度

通過提升攪拌鍋的空間溫度，避免從料道過來的玻璃液因攪拌鍋處空間溫度降低，造成鉑金出料管二次加熱，在玻璃的表面產(chǎn)生氣泡。

當(dāng)料道空間溫度達(dá)到1 400 ℃，而攪拌鍋空間溫度為1 350 ℃時，發(fā)現(xiàn)鉑金出料口管壁外有小氣泡順著流下，呈線狀分布在成形玻璃帶上層表面，此時玻璃帶里面并無氣泡；將攪拌鍋空間溫度升至1 420 ℃， 料道空間溫度降至1 380 ℃時，成形的玻璃上層表面氣泡消失。

3.4 調(diào)整結(jié)果

經(jīng)過多次實驗調(diào)整，使熔化池溫度、上升道溫度、料道溫度、攪拌鍋空間溫度、鉑金出料管溫度達(dá)到由高到低的一條曲線狀態(tài)，熔化池池壁溫度1 000 ℃（采用盲孔測溫），上升道池壁溫度985 ℃（采用盲孔測溫），料道池壁溫度975 ℃（采用盲孔測溫），攪拌鍋空間1 420 ℃，鉑金出料管溫度1 300 ℃）。最終使玻璃料塊內(nèi)部和表面的氣泡完全消失，滿足應(yīng)用要求。其效果見圖5所示。

圖5 經(jīng)過實驗調(diào)整后最終玻璃產(chǎn)品

從圖5中可以看出，經(jīng)過一系列實驗調(diào)整后，最終氣泡基本完全消失，經(jīng)過加工的玻璃料塊無氣泡，透過率高。經(jīng)過深加工處理后，其產(chǎn)品將應(yīng)用于各種型號的衛(wèi)星及航天器上，各項性能指標(biāo)完全滿足應(yīng)用要求。

4 結(jié)語

由于抗輻照玻璃對氣泡、條紋方面的缺陷要求較高，在生產(chǎn)過程中對其溫度的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，必須控制好玻璃的溫度等各項參數(shù)。

由于目前實驗窯爐采用的是盲孔測溫，所有溫度電流等需要摸索試驗，針對熔化部、上升道和料道的具體要求，在窯爐設(shè)計上攪拌鍋處采用鉑金套管來精準(zhǔn)測量玻璃液溫度，以便根據(jù)溫度分布狀況來調(diào)整熔化部、上升道、料道和攪拌鍋空間電極的電流情況，避免由于二次加熱而導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，滿足空間抗輻照玻璃的制備要求。