紅外輻射加熱封接技術(shù)助力鋼化真空玻璃高效封接

　　真空玻璃是當(dāng)今世界節(jié)能效果最好的玻璃產(chǎn)品之一。用鋼化玻璃替代普通玻璃制備出的真空玻璃，可有效提高產(chǎn)品的安全可靠性、美觀性，已經(jīng)成為真空玻璃領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在眾多研發(fā)單位之中，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院玻璃院近期的的研發(fā)成果十分引人注目，這就是鋼化真空玻璃紅外輻射加熱封接技術(shù)，同時(shí)，它也是第四屆中國(guó)玻璃創(chuàng)新推動(dòng)力大獎(jiǎng)——科技創(chuàng)新大獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目。

　　這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合特殊光譜吸收的封接玻璃焊料，可有效降低封接過(guò)程中鋼化玻璃的應(yīng)力衰退，實(shí)現(xiàn)鋼化真空玻璃的高效、高質(zhì)封接，目前已經(jīng)具備成套技術(shù)解決方案和工業(yè)化設(shè)備，成為鋼化真空玻璃產(chǎn)業(yè)化的最佳途徑。在采訪中，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院玻璃深加工技術(shù)研究所副所長(zhǎng)李要輝博士，向記者講述了這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)實(shí)踐經(jīng)歷。

　　玻璃封接工藝成突破口

　　對(duì)采用鋼化玻璃有助于提高真空玻璃產(chǎn)品性能行業(yè)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，但按照傳統(tǒng)的真空玻璃封接工藝，當(dāng)環(huán)境溫度接近或者超過(guò)玻璃的Tg溫度后，其鋼化度將會(huì)快速衰減。這一現(xiàn)象帶來(lái)的后果是，即使利用了鋼化玻璃原片，卻仍得不到真正的鋼化真空玻璃。由此，李要輝認(rèn)定，要從根本上解決高溫封接與鋼化應(yīng)力衰減之間的矛盾，必須把玻璃封接工藝作為突破口。

　　“我們研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)原理有點(diǎn)類(lèi)似于微波爐的工作原理�！崩钜�輝笑說(shuō)，“我們?cè)噲D利用特定能量波段的光輻射加熱爐，使玻璃封接焊料在短時(shí)間內(nèi)先于鋼化玻璃達(dá)到設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)焊接料的熔融、流動(dòng)、致密封接。而平板玻璃由于避開(kāi)了主能量波段的吸收，玻璃基體的溫度升高有限，可以避免鋼化玻璃過(guò)度升溫引起應(yīng)力衰退�！�

　　基于這一想法，李要輝及其團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一番工藝設(shè)計(jì)：由于平板玻璃在波長(zhǎng)小于5μm的紅外波段具有較高的透過(guò)率，所以采用紅外熱源的主能量波段主要集中在近、中紅外波段(主能量波長(zhǎng)小于5μm)；封接介質(zhì)為具有特征紅外吸收特性的低溫封接玻璃粉或漿料，為了實(shí)現(xiàn)紅外輻射加熱時(shí)封接料的快速吸熱升溫并熔融封接，其在波長(zhǎng)小于5μm的紅外波段具有較強(qiáng)的吸收效果。

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用紅外輻射加熱結(jié)合特征紅外吸收封接焊料，加熱過(guò)程中鋼化玻璃溫度和封接料的溫度差值在30℃左右，且低熔點(diǎn)封接焊料的升溫速率較快，可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定封接溫度，可以有效縮短基板玻璃在高溫封接溫度段的保持時(shí)間，這無(wú)疑對(duì)實(shí)現(xiàn)封接過(guò)程鋼化應(yīng)力的維持具有重要意義。

　　“得益于紅外加熱的超高效率和超高靈敏度，這項(xiàng)技術(shù)在保證封接質(zhì)量的前提下，可以大大縮短整個(gè)封接工藝的周期，30分鐘基本可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)升降溫過(guò)程，生產(chǎn)環(huán)節(jié)效率高、能耗小，可以有效降低鋼化真空玻璃的制備成本�！崩钜�輝說(shuō)。

　　新材料和新設(shè)備促封接技術(shù)落地

　　在上述原理獲得驗(yàn)證基礎(chǔ)上，紅外吸收封接焊料的無(wú)鉛化也是研發(fā)團(tuán)隊(duì)所認(rèn)定必須解決的技術(shù)難題。

　　據(jù)李要輝介紹，雖然500℃左右的無(wú)鉛封接焊料已經(jīng)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，但可用于真空玻璃封接的并不多見(jiàn)，能用于鋼化真空玻璃紅外輻射加熱封接的無(wú)鉛玻璃焊料更是尚屬空白。

　　鑒于此，建材總院在多年無(wú)鉛低溫玻璃研究基礎(chǔ)上，加快了真空玻璃用無(wú)鉛低溫焊料的研發(fā)進(jìn)程，尤其針對(duì)紅外輻射加熱用具有光譜選擇性吸收的無(wú)鉛玻璃焊料，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)制備和性能測(cè)試，最終取得了技術(shù)上的突破，獲得了階段性的成功。

　　“經(jīng)考核，這種低溫?zé)o鉛玻璃焊料的封接溫度、膨脹系數(shù)、密封性、粘接強(qiáng)度等參數(shù)都能符合真空玻璃要求，我們也探索出了適合鋼化真空玻璃生產(chǎn)線量產(chǎn)的無(wú)鉛封接工藝。”李要輝表示，在上述材料和工藝技術(shù)相繼成熟和獲得授權(quán)保護(hù)基礎(chǔ)上，近期已實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛低溫封接玻璃材料的系列化設(shè)計(jì)、批量化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化定型，可以滿(mǎn)足400~500℃熔封溫度區(qū)間、70~120×10-7/k膨脹系數(shù)調(diào)整、粉體/漿料/預(yù)制件多種形式的制品和應(yīng)用需求。

　　根據(jù)紅外輻射加熱的技術(shù)原理，以及無(wú)鉛吸紅外封接玻璃焊料的光學(xué)特性，建材總院提出了全新的鋼化真空玻璃封接工藝，其紅外熱源可以整體覆蓋鋼化玻璃進(jìn)行輻射加熱，也可以針對(duì)封接區(qū)域進(jìn)行局部輻射加熱(局部輻射光源方式不限)，但要求在封接區(qū)域及周邊2~5cm區(qū)域內(nèi)輻照強(qiáng)度分布均勻。

　　經(jīng)過(guò)3年多工藝試驗(yàn)及裝備開(kāi)發(fā)，逐步優(yōu)化封接玻璃焊料紅外吸收特性設(shè)計(jì)和紅外輻射加熱技術(shù)的原理驗(yàn)證，研發(fā)團(tuán)隊(duì)相繼完成了300×300mm全鋼化真空玻璃封接爐原理驗(yàn)證樣機(jī)的制備；700×1000mm單體封接爐研制、放大工藝試驗(yàn)和樣品制備；以及1000×2000mm第一代鋼化真空玻璃紅外快速封接線的建造。

　　期間，李要輝所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)深入開(kāi)展了基于光輻射加熱技術(shù)的快速封邊技術(shù)研究，取得了完整的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與工藝數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛低溫封接玻璃粉、封接裝備及封接工藝集成化技術(shù)體系建立。

　　“以上技術(shù)與裝備，創(chuàng)新了一條鋼化真空玻璃工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)路線，最大程度地縮短了鋼化玻璃被加熱的時(shí)間，降低了焊接時(shí)玻璃的溫度，可以使鋼化玻璃保留初始強(qiáng)度的85%以上，滿(mǎn)足建筑使用的強(qiáng)度和安全要求�！崩钜�輝說(shuō)。

　　經(jīng)調(diào)試、運(yùn)行、驗(yàn)收的第一條自動(dòng)化連續(xù)鋼化玻璃封接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了含鉛/無(wú)鉛封接玻璃焊料+離線/在線Low-E玻璃型真空玻璃的批量制備，達(dá)到了6分鐘/片的高速制備效率。在超低熔點(diǎn)的無(wú)鉛焊接玻璃未能實(shí)現(xiàn)低成本、批量制備前，這可能是解決無(wú)鉛鋼化真空玻璃工業(yè)化生產(chǎn)的唯一途徑。

　　創(chuàng)造性提出柔性支撐方案

　　除封接這一關(guān)鍵問(wèn)題之外，支撐物的有效支撐也成為李要輝研究團(tuán)對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，也是其下一步繼續(xù)研究的方向所在。

　　“這是因?yàn)椋�支撐物在真空玻璃制造和使用過(guò)程中始終扮演最重要的角色。支撐物材料、布放及有效支撐直接決定著真空玻璃的性能，支撐效果和質(zhì)量直接影響真空玻璃的使用承載能力和壽命�！�

　　目前，業(yè)內(nèi)多用定厚的金屬圓環(huán)、圓片或者圓球支撐物，以及鋼化釉料點(diǎn)狀支撐結(jié)構(gòu)，均無(wú)法與鋼化玻璃的平整度進(jìn)行有效合理匹配。為此，建材總院提出了柔性支撐或者自適應(yīng)型支撐方案，即以新型的柔性、熱變形材料為依托，研制膨脹系數(shù)合適、彈性模量適中、熱變形可調(diào)的支撐體系。

　　項(xiàng)目組通過(guò)支撐物的預(yù)制、預(yù)燒后，在封接時(shí)可根據(jù)上下鋼化玻璃原片的平整度，即空腔間隙厚度，在一定的溫度下實(shí)現(xiàn)支撐物厚度、形狀以及接觸微結(jié)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)整，隨著溫度的降低固化支撐狀態(tài)，達(dá)到最終的有效支撐。為此，對(duì)該支撐材料的熱學(xué)、力學(xué)(熱變形)特征做了精細(xì)研究，并對(duì)該材料的燒結(jié)、軟化、熔化以及流動(dòng)性、浸潤(rùn)性等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)摸索。

　　通過(guò)對(duì)不同玻璃陶瓷基支撐材料熱膨脹系數(shù)、熱變形溫度的篩選，可以實(shí)現(xiàn)其在400~450℃溫度范圍內(nèi)的一定軟化度，即可以在邊部夾持、負(fù)壓、配重等情況下，根據(jù)其與鋼化玻璃表面的接觸和擠壓情況，進(jìn)行形狀的改變。

　　在上述材料及理念的指導(dǎo)下，建材總院開(kāi)展了新型支撐體系的快速布置技術(shù)研究，由于支撐材料及結(jié)構(gòu)的自調(diào)整特性，對(duì)支撐物自身原始的尺寸精度要求大大降低，故絲網(wǎng)印刷技術(shù)、3D打印技術(shù)、點(diǎn)膠技術(shù)均可在真空玻璃支撐物設(shè)計(jì)和高效布置中得到廣泛的應(yīng)用。建材總院開(kāi)發(fā)的支撐物介質(zhì)漿料和支撐物點(diǎn)膠印刷樣品已經(jīng)得到了驗(yàn)證應(yīng)用，經(jīng)過(guò)后續(xù)的產(chǎn)品系列化完善以及專(zhuān)用設(shè)備的開(kāi)發(fā)，將會(huì)為高品質(zhì)鋼化真空玻璃的研制提供強(qiáng)大的優(yōu)化解決方案。