高世代超薄基板玻璃彎曲變形研究

鞏遵群，文超，喻學寧

（長沙鑫賽爾電子玻璃有限公司，湖南 長沙 410083）

0 引言

超薄基板玻璃是用于新型顯示設備關鍵基礎材料，如液晶面板、OLED面板。隨著技術的發展和社會需求的進步，顯示面板逐漸向大尺寸擴展，基板玻璃也逐步走向高世代。對于更寬更薄的基板玻璃，生產過程中控制其玻璃帶的狀態尤其復雜，機械特性受復雜溫度和壓力場的影響。同時工藝上為便于裁切，退火爐中的玻璃帶需要保持一定的彎曲形狀。因此，深入研究高溫下退火爐中玻璃帶的彎曲變形的影響因素，總結其規律，對于提升產品質量、工藝特性都有重要的實際意義。

1 理論計算

1.1 應用環境

對于下拉法生產基板玻璃而言，玻璃帶沿退火爐體方向垂直向下延伸，兩端由玻璃輥夾持，中間不接觸任何物體，如圖1。爐體內被自上而下的玻璃帶分隔成兩個腔體，腔體下部出口處與外界空氣相連，這樣玻璃帶兩側就形成兩個相互獨立的溫度和壓力場。實際生產中由于溫度、空氣密度、氣流的不穩定會造成兩側壓力的不一致。在壓力差的作用下，玻璃帶將會發生朝向一側的彎曲變形。

圖1 爐體中玻璃帶示意圖

圖2 流速差下0.2m/s時玻璃帶變形示意圖

1.2 數學計算

將爐體中的玻璃帶看作寬度方向上受不變均布載荷的板彎曲問題。假設玻璃帶寬度為w，厚度為t，一側壓力為P1，另一側壓力為P2，壓力差ΔP=P1-P2，玻璃彈性模量為E，材料泊松比為μ。根據板殼理論[1]，變形撓度和力矩的關系有：

在玻璃帶中間位置，當x=w/2時，變形最大：

假設中間位置最大變形為30mm，超薄玻璃的相關尺寸及性能如表1所示，據此求得此時兩邊壓力差為0.043Pa。因此，在玻璃中間位置產生30mm彎曲度所需的壓力僅為0.043Pa。生產實際中就可以利用玻璃帶兩側的壓力差來控制玻璃帶的彎曲度，甚至切換不同的外形。爐體內腔作為一個相對封閉的空間，其壓力差可以通過控制玻璃帶兩側的溫度差或者流速差來產生。本文主要分析通過玻璃帶兩側流速差形成壓力差，從而控制玻璃帶的形狀。

表1 基板玻璃的物理參數

2 數值模擬與討論

2.1 模型建立

根據圖1所示，建立玻璃帶在退火爐中的三維模型，然后采用FLUENT軟件對玻璃帶變形情況進行數值模擬。參照實際情況，在玻璃邊部施加約束，限制其擺動。使用六面體結構單元劃分網格，網格數量約68萬。玻璃的相關物理參數如表1所示。

2.2 空氣流速對玻璃帶彎曲度的影響

玻璃帶進入退火爐初始溫度850℃，假設以5cm/s的速度向下流動。退火爐側面加熱組件溫度為500℃。根據煙囪效應理論[2]，空氣由退火爐下方開口處流入，由上方開口處流出。設定下方開口處為壓力入口，上方開口處為速度出口，一側速度固定為2.0m/s，另一側分別為1.8m/s、1.6m/s、1.4m/s、1.2m/s、1.0m/s五種不同速度，流速差分別為0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s。

從分析結果中，可以看出爐體內空氣流速快的一側相對流速慢的一側形成正的壓力差，玻璃帶發生了朝向流速慢的一側的彎曲變形。在退火爐上部開口處玻璃中間位置，發生了最大的位移變形量，而靠近退火爐下方開口處變形量相對小一些。這是因為退火爐下方開口處與外界空氣相通，受到了大氣壓力的影響。取玻璃帶最大彎曲變形的絕對值，建立與玻璃帶兩側流速差及壓力差的關聯如下圖3所示。由圖中得出，隨著玻璃帶兩側空氣流速差的增大，玻璃帶彎曲變形量也逐漸增大。當流速差為1.0m/s的時候，可產生最大位移為34.3mm的彎曲變形。

圖3 不同空氣流速差下玻璃帶彎曲變形

圖4 退火爐底部開口差下玻璃帶彎曲變形

2.3 爐底開口大小對玻璃帶彎曲度的影響

要在退火爐下部開口處設置不同的空氣流速，需要設計專門的送氣機構，設計結構相對復雜。實際生產中，退火爐下部開口處兩側設計有擋板，擋板能夠沿厚度方向上來回移動，從而能控制開口的大小。根據煙囪效應理論[2]，空氣由下部開口處流入，由上部開口處流出。對應玻璃帶兩側不同的開口大小，空氣流入的速度應當不同，從而也會產生不同的彎曲變形。

設定一側開口大小為50mm寬，另一側分別為70mm、90mm、110mm、130mm、150mm，對應開口差值分別為20mm、40mm、60mm、80mm、100mm。其余條件與2.2節相同。位移云圖表明，玻璃帶由退火爐底部開口大的一側發生了朝向開口小的一側的彎曲變形。在煙囪效應下，開口大的一側進入了更多的空氣，這一側的體積內形成了相對大的壓力，對另一側形成了正的壓力差。在壓力差的作用下，玻璃帶發生彎曲變形。退火爐底部玻璃帶兩側開口差越大，形成的壓差越大，彎曲的最大變形值也越大。當兩側開口差為100mm時，玻璃帶的最大彎曲變形為27.6mm。

3 結語

針對高世代玻璃基板生產，本文通過數值計算及模擬仿真得出以下結論：（1）退火爐體中玻璃帶兩側的壓力差對其彎曲的影響較大，理論計算表明G8.5代玻璃基板產生最大30mm變形所需的壓差僅為0.043Pa。（2）退火爐內玻璃帶兩側，空氣流速高的一側相對流速低的一側產生正的壓力差，導致玻璃朝向流速低的一側發生彎曲變形；隨著玻璃帶兩側流速差的增大，彎曲變形的最大值逐漸增大。（3）退火爐下方不同的開口大小，導致玻璃帶兩側空氣的流速不同。開口大的一側有較高的空氣流速，相對開口小的一側形成正的壓力差，使玻璃帶朝向開口小的一側發生彎曲變形；隨著玻璃帶兩側開口差的增大，彎曲變形的最大值也逐漸增大。（4）本文分析了退火爐中玻璃帶彎曲變形的影響因素，尤其指出了通過調整退火爐下方開口的大小，能夠有效調整玻璃帶的彎曲方向及大小，具有較好的生產實踐指導意義。但本文中所做的工作還有很多不足，要準確的模擬玻璃帶在退火爐中的彎曲變形，還需要開展更為細致的工作。