鋼化玻璃自爆原因分析及檢測方法研究

艷華

(1.蚌埠產品質量監督檢驗研究院 安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠市工商行政和質量技術監督管理局 安徽 蚌埠 233000)

鋼化玻璃自爆原因分析及檢測方法研究

孫凱1杜黎黎1孫艷華2牛一群1

(1.蚌埠產品質量監督檢驗研究院 安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠市工商行政和質量技術監督管理局 安徽 蚌埠 233000)

鋼化玻璃被廣泛應用在建筑施工、交通、生活起居、科研等不同領域，給我們的工作和生活帶來了極大便利，但是鋼化玻璃自爆問題始終無法回避，其特征表現為突發性和災難性。因此，如何減少和預防鋼化玻璃自爆是工程應用領域的關鍵問題。本文從多方面對鋼化玻璃自爆原因進行分析，重點探討了鋼化玻璃自爆機理和檢測方法，為減少和預防鋼化玻璃自爆事故提供合理的解決方案。

鋼化玻璃；自爆；原因分析；檢測方法

一、前言

2003年12月4日，由國家質檢總局、建設部、發改委與工商行政管理總局聯合發布的《建筑安全玻璃管理規定》中指出：鋼化玻璃、夾層玻璃及由鋼化玻璃或夾層玻璃組合加工而成的其他玻璃制品屬于安全玻璃。因鋼化玻璃有強度高、熱穩定性高、安全性高等優點，近年來被廣泛應用在建筑、家具制造行業、電子、儀表行業、家電制造行業、汽車制造行業、科研等不同領域，給我們的工作和生活帶來了極大便利。但鋼化玻璃一直是存在著一項不可回避的問題——自爆，即鋼化玻璃在無直接機械外力作用下發生的自動性炸裂的現象。鑒于這一缺陷，鋼化玻璃的應用和發展受到了嚴重制約[1]。

自爆，是鋼化玻璃固有特性之一。在目前的鋼化玻璃生產技術來看，完全消除自爆這一缺陷是不可能的，雖然人們長期在研究降低鋼化玻璃的自爆方法，如采用使鋼化玻璃均質化、半鋼化等措施，但自爆現象仍不可避免。

二、鋼化玻璃自爆原因分析

從鋼化玻璃誕生起，就伴隨著自爆。因此，鋼化玻璃自爆可以表述為鋼化玻璃在沒有外力作用的情況下而發生破碎的現象，在生產加工、運輸貯存、安裝使用等各環節中均有可能發生自爆。

(一)鋼化玻璃自爆分類

1.玻璃內部缺陷和雜質

玻璃含有硫化鎳雜質。在玻璃生產過程中，不銹鋼生產流水線機械是使玻璃中存在雜質的最常見的原因。隨著時間的推移，這些含鎳的不銹鋼碎屑慢慢形成了玻璃的內應力。當內應力超出了玻璃強度，就會形成爆裂。此外，在熔融玻璃時，里面的耐火磚碎渣可能會融進玻璃內，在玻璃出爐時形成雜質。這些雜質在玻璃加熱過程中會因異常受熱，而使玻璃爆裂。

2.安裝損壞

玻璃搬運和安裝過程中，搬運工往往會將玻璃邊緣弄出缺口或裂縫。在玻璃裝箱過程中，如果打包工人釘箱子時角度不正確，也容易將釘子和螺絲訂在玻璃上，使玻璃出現缺口或裂縫。這些小的缺口或裂縫可能不會立即導致爆裂，但不久后，隨著玻璃膨脹和收縮，在缺口周圍的應力集中會導致爆裂。通常情況下，鋼化玻璃會因此而整體爆裂。

3.熱應力

有吸熱(反射)涂層的大塊密封中空玻璃(隔熱玻璃)最容易發生自爆。涂層用于“第二道”表面(外層玻璃的內表面)，在太陽的輻射下，外層玻璃和內層玻璃受熱不均勻，隨著外層玻璃受熱擴張，整個玻璃向外彎曲。如果間隔條或者其他玻璃邊部的連接點的距離太小，彎曲應力會超過玻璃的強度，導致爆裂。

4.環境影響

玻璃膨脹和收縮與風引起的玻璃表面溫度變化或偏轉有關，所以幾乎所有的現代玻璃都會在底部裝上彈性塊，并在安裝時玻璃頂部和四周會給玻璃膨脹預留出一定的空間。玻璃框內的墊圈會有彈性，緩沖風對玻璃的沖擊力使玻璃爆裂。

5.不恰當的玻璃厚度

玻璃厚度過大或過小，不能承受風壓，在風的作用下會導致爆裂。

(二)鋼化玻璃不可控自爆的特點

鋼化玻璃自爆發生的時間具有不確定性，可能是剛加工完成，也可能是出廠后1到2月，也有出廠1到2年后才發生自爆的，據了解，鋼化玻璃發生自爆時間較多的是產品生產完成后4到5年，且鋼化玻璃自爆率率為千分之三左右，個別生產廠家產品的概率可能還要高。

鋼化玻璃發生自爆的根本原因是因為玻璃原片中含有硫化鎳和異質相顆粒雜質。鎳最大可能的來源是生產設備上所使用的各種含鎳合金部件以及窯爐上所使用的各種耐熱合金。對于燃油的熔窯，曾有報道在小爐生產中發現富鎳的凝結物。硫主要來源于配合料中及燃料中的含硫物質。當加工溫度超過1000℃時，硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中，這些小液滴的固化溫度為797℃。1克硫化鎳就能生成約一千個直徑為0.15mm的結石。而硫化鎳在生產完成后任何時間都有可能發生，故現在還不能完全避免，至今也無有效的預防辦法，通常被稱為“玻璃的癌癥”[2]。

(三)鋼化玻璃不可控自爆的原因

對硫化鎳微粒引發的鋼化玻璃自爆，已經被學者們的廣泛研究。硫化鎳粒子造成鋼化玻璃自爆需要兩個條件：其一硫化鎳粒子所處位置的張應力大小；其二硫化鎳粒子的尺寸。其機理是玻璃在鋼化的過程中，需要經過高溫處理，玻璃原片中所含有的硫化鎳將全部轉變為高溫α態；在隨后的淬冷過程中，高溫α態的硫化鎳來不及轉變為低溫β態，即被凍結在鋼化玻璃中。而鋼化玻璃在使用中，通常處于室溫環境下，而此時的硫化鎳高溫態是不穩定的，有可能逐漸轉變為低溫態。在這個轉變過程中，硫化鎳將伴隨有約2%至4%的體積膨脹，使玻璃承受較大的相變張應力，最終導致鋼化玻璃自爆。學者們對異質微粒引起的鋼化玻璃自爆也有了新的研究，在鋼化后的降溫過程中，玻璃對異質微粒產生越來越大的壓應力，反之異質微粒對周邊的玻璃形成等值的徑向壓應力和切向拉應力。對于物理鋼化玻璃，表面受壓應力，中間受拉應力區，異質微粒周圍的切向拉應力與鋼化玻璃的拉應力相互疊加，使得異質微粒周圍垂直于玻璃面的拉應力達到最大，當局部拉應力達到一定程度，就有可能導致鋼化玻璃破裂。同時，當最大拉應力達到玻璃的斷裂強度時，便會形成一種危險的不穩定系統，一旦有溫度變化或者外部作用力，局部應力就可能超過強度值而引發鋼化玻璃自爆。

通常，對鋼化玻璃自爆的研究，多為對爆裂后的玻璃碎片進行分析。但此時鋼化自爆已經發生，損失和傷害已經發生。因此，應加強對自爆前的鋼化玻璃進行檢測，記錄查找各種可能與鋼化玻璃自爆相關的表征數據，然后通過鋼化玻璃發生自爆后，對其玻璃碎片進行分析，找到鋼化玻璃自爆的起始點，分析該點的相關參數，找到鋼化玻璃自爆的特征參數，建立一種鋼化玻璃自爆的檢測方法，為鋼化玻璃相關標準的完善提供依據。

三、鋼化玻璃自爆的基本原理

鋼化玻璃硫化鎳、三氧化二鋁及其他異質微粒與玻璃基體不同，在玻璃升溫和降溫過程中易在其周邊產生應力集中。以下公式給出了異質微粒附近的徑向應力和切向應力[3]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中σr為徑向應力，σt為切向應力，a為顆粒半徑，r為球對稱的軸坐標，P為顆粒與玻璃之間界面的正壓應力，它的函數算值如下：

(3)

式(3)中下標p和m分別代表顆粒和基體；E、α、ν分別代表彈性模量、膨脹系數和泊松比。

在上述公式中，當參數值溫度差△T或者(αm-αp)是負值，異質顆粒將受到壓力；反之將受到拉力。對于顆粒在玻璃基體中，其降溫過程溫差是負的，也就是說顆粒周邊的徑向應力是壓力，切向應力是拉力，即切向應力是玻璃裂爆的起始根源。

因此，鋼化玻璃的自爆是由拉應力層內的局部應力過于集中引起的，而應力過于集中是由雜質顆粒與玻璃之間的界面產生的壓力所致，而產生顆粒界面壓力的原因有多種，如硫化鎳、三氧化二鋁在溫度變化過程中的熱變形。因此，鋼化玻璃自爆的直接原因只有一個，那就是局部應力集中，間接原因有很多種。鋼化玻璃應力集中程度受到多種因素影響，引起這種應力集中的缺陷或雜質往往也多種多樣。

四、鋼化玻璃自爆檢測方法研究

運用透射/反射兩用光彈掃描儀，采用無線數據和圖像遠程傳輸，結合PLC圖像分析系統，可完成鋼化玻璃自爆源及自爆風險的無損現場檢測。檢測鋼化玻璃自爆源的透射式/反射式光彈掃描儀的原理和結構示意圖如圖所示[4]。

圖1 檢測鋼化玻璃自爆源的透射式/反射式光彈裝置示意圖

鋼化玻璃自爆源與自爆風險現場檢測光彈掃描儀可實現現場對鋼化玻璃自動掃描，當發現自爆源應力光斑時，PLC圖像分析系統可對自爆源及其自爆源光斑的位置、形貌、大小、明亮程度進行分析，從而預測鋼化玻璃自爆源的自爆風險程度。

五、結論

本文通過對鋼化玻璃自爆危害、原因進行分析，確定了鋼化玻璃自爆可控原因和不可控原因，直接原因和間接原因，探討了鋼化玻璃自爆的基本原理，結合掃描儀、PLC圖像分析等現代科學技術，建立了鋼化玻璃自爆檢測方法，為現行鋼化玻璃國家標準的完善提供依據。

[1]萬德田，包亦望等．門窗幕墻用鋼化玻璃自爆源和自爆機理分析及在線檢測技術[J]．中國建材科技，2010，S2: 178-184．

[2]包亦望，劉正權．鋼化玻璃自爆機理與自爆準則及其影響因素[J]．無機材料學報，2016，31 (4): 401-406．

[3]陳曉艷，劉軍．鋼化玻璃的自爆[J]．科技風，2008，02: 26-27

[4]包亦望，萬德田等．鋼化玻璃自爆源和自爆機理分析[J]．建筑玻璃與工業玻璃，2007，11: 10-14．

孫凱(1981.05-),男，漢族，籍貫皖.渦陽，碩士，高級工程師，研究方向檢驗檢測。