柔性玻璃成型過程中粘度對板寬性能影響的研究

摘 要：通過數(shù)值模擬的方式，針對高鋁硅酸鹽柔性玻璃，完成不同粘度玻璃流經(jīng)成型器后的軌跡模擬，發(fā)現(xiàn)了玻璃粘度越高，玻璃的有效板寬越小，但是玻璃的平整度越好。該結(jié)果表明：在后續(xù)柔性玻璃的展薄環(huán)節(jié)中，將玻璃的厚度降低到更低的水平，要綜合考慮有效板寬、平整度和粘度三者之間的關(guān)系，嚴(yán)格控制玻璃的粘度。

關(guān)鍵詞：柔性玻璃；粘度；板寬

1 前言

柔性玻璃是指厚度小于0.1mm的玻璃[1]。相較于傳統(tǒng)玻璃，其彎曲半徑低、柔韌性強(qiáng)，有望用于柔性顯示、OLED、照明、LSI 用轉(zhuǎn)接板、電容器及新型太陽能電池等領(lǐng)域[2]。目前，美國康寧公司、日本旭硝子公司、電氣硝子公司和德國肖特公司的柔性玻璃工藝技術(shù)比較成熟，初具市場銷售的能力[3，4]。我國雖然通過技術(shù)引進(jìn)奠定基礎(chǔ)，但對于厚度小于0.1mm柔性玻璃，國內(nèi)尚無任何研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)公開表明具備生產(chǎn)能力。主要的原因就是缺乏基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，成型設(shè)備的設(shè)計與工藝條件的控制還更多地停留在經(jīng)驗水平上，對玻璃成型規(guī)律也沒有一個系統(tǒng)的研究[5，6]。柔性玻璃的板寬決定了柔性玻璃在后期牽引和展薄過程中的成效，而板寬又和玻璃液粘度有關(guān)。因此，本文旨在解釋玻璃液粘度與對板寬的影響規(guī)律，探索形成柔性玻璃一次快速穩(wěn)定拉薄關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)更能滿足市場應(yīng)用需求的柔性玻璃。

2研究對象及方法

2.1玻璃組成

本次實驗的柔性玻璃采用狹縫下拉法生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝流程中存在拉伸展薄的過程。根據(jù)生產(chǎn)實際，選用高鋁硅酸鹽玻璃作為主要的研究對象。

本次研究中高鋁硅酸鹽玻璃的組成如表1所示：

采用美國奧頓公司Model 1412 STD高溫旋轉(zhuǎn)粘度儀測玻璃黏液的溫度曲線，如圖1所示。

2.2玻璃的部分物理性能

密度采用阿基米德排水法測量，比熱容采用德國STA449c/3/G同步熱分析儀測量，具體如表2所示。

3結(jié)果與討論

為方便數(shù)值運(yùn)算，本文針對模擬系統(tǒng)中出現(xiàn)的工藝過程作出假設(shè)和簡化：

（1）不考慮玻璃液的氣泡、結(jié)晶、雜質(zhì)等缺陷。

（2）玻璃液密度恒定，為牛頓流體和不可壓縮流體。

（3）玻璃密度大小和溫度的關(guān)系忽略不計。

整個系統(tǒng)僅存在內(nèi)部換熱，與外界不發(fā)生能量交換。模擬中的液體遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律三大定律，并選擇非平衡壁面函數(shù)研究。初始條件中壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013×105Pa， 并同時設(shè)置空氣介質(zhì)溫度及傳熱模式，。由于要研究空氣介質(zhì)溫度變化， 所以空氣介質(zhì)溫度不設(shè)為定值。

玻璃液體流經(jīng)成型器通道的時候有兩種排列方式：水平方向和垂直方向。采用水平的排列方式，玻璃液會迅速流入成型器內(nèi)，并向狹縫位置快速移動。越靠近狹縫位置，由于空間的急劇收縮，會讓其他玻璃液體無法迅速流出，只能發(fā)生回流，會對其他往下流動的液體產(chǎn)生阻礙。為了避免這個缺點(diǎn)，因此在本次模擬中采用垂直的排列方式。

根據(jù)高鋁硅酸鹽玻璃粘度與溫度的關(guān)系曲線可以知道，玻璃的粘度主要和溫度有關(guān)系。當(dāng)玻璃液自身溫度較低，流經(jīng)狹縫通道后，出口溫度也會較低，此時的玻璃液體具有較大粘度，流動粘滯性強(qiáng)。但是如果玻璃液自身溫度高，那么流經(jīng)狹縫通道后，出口處溫度也較高，玻璃液粘度較小，流動粘滯性會顯著減弱。

為了研究玻璃液粘度對板寬的影響，擬選取粘度為500Pa·s、900Pa·s、1300Pa·s、1700Pa·s和2100Pa·s的五組模型進(jìn)行模擬計算。不同玻璃流經(jīng)成型器后的軌跡線如圖2所示。

（a）500Pa.s ; （b） 900Pa.s ; （c） 1300Pa.s （d） 1700Pa.s; （e） 2100Pa.s

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著粘度的增加，軌跡線的兩側(cè)明顯收窄，有效板寬逐步降低[7]。

通過進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，玻璃液的邊部與粘度呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，玻璃液的粘度越多，橫向偏移越大，有效板寬越低。造成這個的主要原因是粘度越大，玻璃的流動性越差，玻璃往下流需要更大的動力（如圖3所示）。狹縫下拉法的玻璃液主要依靠的是自身的重力和軋輥的牽引來加速流動。模擬中沒有計入牽引力，單純依靠

重力，兩邊因為流速慢，重力小，反而不容易流動。而中間因為流體的流量大，重力大，加重了玻璃的流動，從而讓玻璃液在中間較容易流動。

從圖3可以看出，考慮到流速和有效板寬的大小，最合適的粘度應(yīng)該是500Pa.s～1300Pa.s，粘度太大，玻璃液的流速慢，有效板寬低。

但是在實際使用中，玻璃的板寬還要考慮玻璃的平整度。平整度TTV在半導(dǎo)體材料硅片中描述的是待測樣品里面最大厚度和最小厚度之間的差值。如果TTV數(shù)值大，平整度差，盡管獲得的板寬大，但是為了保證平整度，需要對玻璃進(jìn)行切割，這會導(dǎo)致實際獲得的有效板寬減小。因此，將不同粘度的TTV數(shù)值模擬出來，也是十分必要的。

不同玻璃液粘度的TTV數(shù)值如圖4所示。從圖中可以明確地發(fā)現(xiàn)，隨著粘度的增加，玻璃的平整度TTV數(shù)值一直在增大。圖中的模擬結(jié)果證明，粘度越大，玻璃的平整度反而越好。在1300Pa.s以上的時候TTV數(shù)值的變化變小。

因此為了保證板寬的質(zhì)量，不能僅選擇粘度低的玻璃液，同時要考慮到玻璃的粘度和溫度的關(guān)系，有的玻璃往往需要更高的工藝溫度，這無疑也增加了生產(chǎn)的成本，并縮短了金屬成型器的壽命。因此，結(jié)合TTV數(shù)值和粘度與板寬的結(jié)果，綜合考慮應(yīng)該選擇玻璃液粘度在1300 Pa.s附近的。

4結(jié)論

（1）玻璃液的粘度越高，玻璃的有效板寬越??；

（2）玻璃液的粘度越高，玻璃表面的平整度越好；

（3）玻璃液的粘度選擇要綜合考慮板寬和平整度的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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