钢化真空玻璃在温差作用下的变形特征

2022-12-27岳高伟蔺海晓李敏敏

硅酸盐通报 2022年11期

高帅，岳高伟，蔺海晓，李敏敏，刘慧

(河南理工大学土木工程学院，焦作 454000)

0 引言

真空玻璃作为新一代节能环保玻璃，具有其他种类玻璃无法比拟的隔热、隔声等优越性能，但是由普通玻璃制成的真空玻璃因强度低等问题制约了其应用和发展[1]。而将普通玻璃经过加热—淬冷处理后得到的钢化玻璃，其表面形成的压应力层极大地提高了承载能力[2]。与普通玻璃相比，同等厚度的钢化玻璃抗弯强度是普通玻璃的3～4倍,抗冲击强度更是普通玻璃的3～5倍，同时具备破碎后的碎片小、无尖锐锋角等安全性能[3]。此外，钢化玻璃本身强度较大，可以适当地增大支撑物间距，对真空玻璃的隔热性能和视觉效果起到优化作用[4-5]。

在应用过程中发现，钢化真空玻璃两侧存在温差时易发生弯曲变形，甚至出现密封开裂使钢化真空玻璃漏气(失效)的现象。造成这种现象产生的原因主要有两种：(1)钢化真空玻璃导热性极低；(2)温度较高侧玻璃发生线膨胀。真空玻璃具有极低的导热性，董慧敏[6]、李宏等[7]采用试验测试和数值模拟的方法，分析了不同类型玻璃的导热系数，结果表明真空玻璃导热系数远小于其他类型玻璃，满足节能环保的要求。Hu等[8]、赵骁真等[9]通过对支撑物参数和边缘密封部分参数的灰色关联评价，得到了各个指标对玻璃传热系数的影响程度。Zhu等[10]分析了基材玻璃的厚度、密封边的宽度、支撑柱阵列间距以及隔热框架结构对真空玻璃传热的影响。Rodriguez-Ake等[11]模拟三层玻璃窗的共轭传热，通过与双层和单层玻璃对比，得出了不同真空层和玻璃基片厚度对玻璃窗抗热性能影响。Wang等[12]利用思维进化神经网络对真空玻璃隔热层传热系数进行建模，预测了真空玻璃的保温隔热性能，发现玻璃在升高温度时发生线性膨胀，使真空玻璃封接部位破裂。Memon等[13-14]研究了低温表面感应对真空抽取、泵孔密封和复合边缘密封的热性能的影响，并设计、开发了真空隔热玻璃的新型无铅密封材料，通过减少真空边缘密封的宽度和涂层的辐射率，改善了真空隔热玻璃的热性能。刘慧[15]通过实验和数值模拟，对钢化真空玻璃温差变形的影响因素和安全性进行研究。李永明等[16]通过计算内外玻璃温差作用下真空玻璃的应力和变形，分析了影响真空玻璃破裂的因素，结果表明任意尺寸的真空玻璃均有可能会因温差作用产生破裂，且最大拉应力分布在边角部位。苏行等[17]、Fang等[18]利用冷热循环试验验证钢化真空玻璃可靠度，结果表明真空玻璃在经过热冷循环试验后传热率增加10.1%，真空度下降0.6 Pa，但边缘封接部分未发生破裂，仍满足使用要求。

本文通过钢化真空玻璃在不同温差下的变形试验和数值模拟，分析了钢化真空玻璃两侧不同温差情况下的变形特征，为不同尺寸钢化真空玻璃在适用环境中的变形预测提供科学方法。

1 钢化真空玻璃温差变形及失效测试

钢化真空玻璃导热率极低，对其一侧加热，受热面玻璃膨胀变形，未受热面基本不受影响。封接部位对受热一侧玻璃的约束力也作用于常温侧玻璃，使其协同变形。当钢化真空玻璃弯曲受热变形过大时，封接部位撕裂，最终导致其漏气失效。为了研究钢化真空玻璃温差变形特征的影响规律，选用不同尺寸的钢化真空玻璃在不同温度下进行试验研究。

1.1 试验设备及方法

钢化真空玻璃温差试验需要的设备仪器有IPC-610H工控机、耐高温加热垫、测温线、控温线、直尺、细线等。IPC-610H工控机通过控温线和测温线分别连接耐高温加热垫和钢化真空玻璃，实时控制并读取钢化真空玻璃的温度。耐高温加热垫对钢化真空玻璃的一面进行加热，使其达到预设的温度，并保持一段时间后再测试玻璃的变形。采用交叉测量法测量钢化真空玻璃的变形，为减小钢化真空玻璃温差变形试验的误差，同一工况下进行多次测量。

为研究尺寸和温差对钢化真空玻璃变形的影响，选用长宽尺寸分别为347 mm×1 344 mm、559 mm×1 984 mm、318 mm×2 120 mm的钢化真空玻璃(5+0.5V+5，单片钢化玻璃厚度为5 mm，真空层厚度为0.5 mm)进行试验。钢化真空玻璃温差试验步骤如下：

(1)调整IPC-610H工控机，初始温度设定为30 ℃，加热时间为120 min。

(2)将加热垫粘在钢化真空玻璃下侧，并放在水平试验平台上。

(3)钢化真空玻璃下侧由耐高温加热垫加热(加热温度由温度工控机控制)，分别加热至70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃，使钢化真空玻璃两侧温差达到40 ℃、50 ℃、60℃、70 ℃、80 ℃。

(4)设定温度达到稳定后，在玻璃对角拉线，用直尺测量两条对角线交叉点O到玻璃的垂直距离h，即玻璃中心变形量，钢化真空玻璃的高温变形示意图如图1(a)所示。

图1 钢化真空玻璃高温变形示意图

(5)换其他尺寸的钢化真空玻璃重复步骤(1)～(4)，记录数据。

1.2 试验结果分析

钢化真空玻璃受热后的变形如图1(b)所示，从图中可明显看出钢化真空玻璃因受热引起的膨胀变形。将钢化真空玻璃温差试验的变形结果(玻璃中心点拱高)列于表1。

由表1可得到钢化真空玻璃温差变形规律：(1)同一尺寸的钢化真空玻璃，其变形量随温差的增大而增大。(2)在同一温差下，钢化真空玻璃的变形量随长边尺寸增大而增大。故温差和尺寸对钢化真空玻璃温差变形均有影响。

表1 钢化真空玻璃温差变形试验结果

2 钢化真空玻璃在温差作用下的力学分析

不考虑其他约束作用，钢化真空玻璃受温差的变形是一个等半径的球面。设钢化玻璃基片厚度为η，线膨胀系数为α，支撑物高度(真空层厚度)为v，钢化真空玻璃内外温差为ΔT。任取弯曲球面钢化真空玻璃的常温面玻璃一单位长度dl为研究对象，则对应受热面玻璃(弯曲角度)的长度为dl+αΔTdl。设常温侧玻璃中性面距球心距离为R(球面的曲率半径)，则受热侧玻璃中性面距球心距离为R+η+v，温度作用下钢化真空玻璃变形协调如图2所示。

图2 温差作用下钢化真空玻璃变形协调

根据变形协调关系，同时考虑玻璃板的泊松效应，温差下钢化真空玻璃在任一方向单位长度的变形协调满足关系如式(1)所示。

(1)

式(1)可以简化为

(2)

式中：μ为钢化玻璃基材的泊松比。

由式(2)可看出，钢化真空玻璃的弯曲曲率半径与玻璃基片厚度成正比，与基片的线膨胀系数及两侧温差成反比。曲率半径越小，说明钢化真空玻璃弯曲程度越大，对钢化真空玻璃造成的危害越大。

3 钢化真空玻璃温差变形的热-变形力学模型

钢化真空玻璃温差变形试验可以得到温差和尺寸对其变形的影响，但是服役中的钢化真空玻璃尺寸不同，不能对其一一试验得出变形结果。因此，通过建立钢化真空玻璃数值模型，模拟钢化真空玻璃温差变形，通过对比试验结果，分析钢化真空玻璃数值模型的可靠性，进而可对任意尺寸的钢化真空玻璃在其应用环境中温差变形进行预测。由有限元软件ABAQUS建立的钢化真空玻璃模型如图3所示。