淺析玻璃應力的產生及消除

皇明太陽能股份有限公司 ■ 肖成珍 劉培先 張繼磊 林超 袁鐵生

一 應力的基本概念

二 應力的種類及其產生原因

以產生原因為標準可分為熱應力、結構應力和機械應力；以作用范圍為標準可分為宏觀應力(由外力作用或熱作用產生)、微觀應力(玻璃的微觀不均勻區域中存在的或分相引起的應力)和超微觀應力(玻璃中相當于晶胞大小的體積范圍內存在的應力)。

1 熱應力

熱應力是玻璃中由于溫度差而產生的應力。按其存在的特點又可分為暫時應力和永久應力。

(1)暫時應力

暫時應力是指當玻璃溫度低于應變點(η=1013.6Pa·S)時處于彈性變形溫度范圍內(η=1014Pa·S)，即脆性狀態時，經受不均勻的溫度變化產生的熱應力。其特點是隨溫度梯度的產生而產生，隨溫度梯度的消失而消失。

(2)永久應力

永久應力是玻璃在高于其應變點時，溫度梯度會引起玻璃結構變化，這種玻璃結構變化在低于應變點時產生并保持的熱應力。其特點是溫度梯度消失后，永久應力不消失。

2 結構應力

結構應力是玻璃中兩部分區域，化學組成不均勻導致結構不均勻而產生不同的膨脹系數，因而產生的應力，如條紋、結石、節瘤等不均勻體都會產生結構應力。其特點是：結構應力是由于玻璃固有結構造成的應力，無法通過退火清除。

目前，污水處理比較先進的一種技術是MSBR工藝，其是連續流序批反應工藝的改良版。這種方式處理過后的污水能達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的要求，MSBR工藝能夠有效除去水體中的氮、磷等，但是其效果受到某些因素的影響。

3 機械應力

機械應力是玻璃制品受到外力作用時玻璃中產生的應力。在低溫下外力撤去后，機械應力隨之消失。如果機械應力超過應力極限，會導致制品破裂。

三 燈工加工產生應力的分布情況

玻璃管在常溫下，經燈工噴燈火焰局部加熱吹制成型，被加熱部位與未被加熱部位之間形成一條很窄的熱分界區，這個分界區就是應力集中的部位。溫度越高，應力越嚴重。在同樣加工溫度條件下，膨脹系統大的玻璃比膨脹系數小的玻璃應力嚴重。

經燈工加工而產生應力的分布情況大致有以下幾種：

(1)旋轉熔融的應力部位

玻璃管通過操作者雙手在噴燈火焰中旋轉熔融，此時產生的應力不是在熔融部位，而分布在熔融部位的兩側，約在離開火焰邊緣的地方。因為玻璃管是玻璃旋轉加熱，故應力呈環形線狀出現(在偏光儀下可顯現出)，如圖1所示。

(2)側面熔的應力部位

玻璃管的開孔、側接及側面內芯焊接、玻璃管加熱時都不旋轉，因此產生的應力分布情況與上述情況不同。此時的應力是分布在熔融部位四周，如圖2所示。

(3)環形接頭的應力部位

環形接頭是指有內芯的焊接。這時產生的應力分布情況除了與單接頭旋轉熔融的應力部位相同外，在內芯的焊接處也存在較嚴重的應力，如圖3所示。

(4)夾套產品兩頭封接的應力部位

盡管玻璃儀器夾套產品的形式多種多樣，但均為兩頭封接。例如普通直型冷凝管，當兩頭封接完畢，不僅外套管上有應力存在，而且內芯也存在嚴重的應力(通常所說的拉力)，如圖4所示。如果把它放在偏光儀中，可看到內芯與外套顏色明顯不同(內芯是黃色，外套是深紫色)。在這種情況下，制品極易爆裂。

(5)加熱不均勻引起的應力情況

在操作過程中，不小心將強烈氧氣火焰燒到不需要加熱的部位，雖然立刻離開，但如果忘記及時作退火處理，玻璃管內外層會產生很大的溫度差，從而形成塊狀應力，使玻璃管呈網狀表面爆裂。在加工毛細管時，如果未能安全熔融(即內層未達到轉化溫度)，也會產生上述情況，見圖5。

四 應力的消除——退火

一般玻璃制品在加工完畢后均要進行退火。所謂退火就是將制品加熱至玻璃的轉化溫度以上，然后緩慢冷卻，使玻璃制品外層和內部的溫度同時降低到轉化溫度以下。其目的是消除應力，避免制品爆裂。

一般來說，玻璃的膨脹系數越大，玻璃管壁越厚，產品形狀越復雜，應力越嚴重，相應的在開始退火時，產品的預熱和冷卻所要求的時間就越長。如硬質玻璃GG-17和95玻璃的退火時間約為2h，而壁厚、大型的鈉鈣玻璃(軟質玻璃)制品卻需要 5～6h。

此外，玻璃制品應力的消除還與玻璃的粘度有關，粘度越小，應力的消除越快。

由于玻璃制品在吹制過程中產生應力情況不同，因此退火的部位也各不相同。玻璃壁厚度不同，退火的程度也會不同。一般要掌握以下原則：

(1)薄壁玻璃管小面積熔融的兩側或四周的熱分界區，可用兩倍于熔融面積寬度的氧化性火焰加熱，至火焰發紅時(玻璃管在火焰中加熱，達到退火溫度左右火焰才發紅，這是掌握火候的重要標志)，漸漸關閉壓縮空氣，讓還原火焰“文火”略微烘一下即可。必須注意，退火時不能將玻璃管燒熔(最多燒至微呈暗紅色)，否則將產生新的應力，而退火時間太短或火焰溫度太低，也不能達到退火目的。

(2)當玻璃管熔融面積大而火焰寬度不夠時，可移動工件以取得退火效果，也可將熔融部位兩側的熱分界分別加以退火。

(3)夾層環形接頭制品，除采取上述步驟外，應增加“文火”的烘烤時間，目的是縮小內、外層冷卻時的溫度差(使內、外層玻璃管基本上同時冷卻到轉化溫度以下)。

(4)毛細管及大型壁厚制品退火時，表層雖已達到退火溫度，火焰也已發紅，但由于壁厚，玻璃內部很可能還未達到退火溫度。這時應適當延長退火時間(火焰溫度不必提高)，冷卻速度也應緩慢。

(5)軟質玻璃制品退火時，當達到退火溫度后，溫度需逐步降低，增加“文火”烘的時間，以達到緩慢冷卻的目的。

玻璃儀器生產單位，一般情況都是當天產品當天進退火窯退火，所以噴燈火焰退火只要求使應力擴散即可。而某些沒有專門退火設備的科研單位、實驗室等，可根據上述幾點原則處理。如果掌握得當，雖有輕微應力存在，但產品不會爆裂，不影響使用。

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