玻璃表面應力的測定

平 板 玻 璃 一 般 以 表 面 壓 應 力 大 小 的 不 同 分 為 鋼 化 玻 璃 、 半 鋼 化 玻 璃 及 退 火 玻 璃 。 根 據(jù) 美 國 ASTM C1048-1997b 標 準 規(guī) 定 ， 各 種 玻 璃 的 表 面 壓 應 力 范 圍 為 ： 鋼 化 玻 璃 >69MPa (10,000psi) ， 半 鋼 化 玻 璃 為 ： 24MPa (3500psi) ~ 51MPa (7500psi). 我 國 新近 出 臺 的<<幕 墻 用 鋼 化 玻 璃 與 半 鋼 化 玻 璃 >>國 家 標 準 也 對 應 力 作 了 明 確 要 求 , 半 鋼 化 玻 璃為24-69 MPa, 鋼 化 玻 璃為95MPa 以上.



長 期 以 來 ， 國 內(nèi) 廠 家 由 于 長 期 缺 乏 檢 測 手 段 期 對 國 際 技 術(shù) 的 了 解 ， 僅 依 賴 大 量 的 抗 沖 擊 試 驗 及 碎 片 試 驗 來 確 定 鋼 化 生 產(chǎn) 工 藝 參 數(shù) 及 對 玻 璃 質(zhì) 量 的 控 制 。 不 僅 成 本 高 昂 ， 而 且 費 時 費 力 ， 反 饋 慢 ， 可 操 作 性 較 差 ， 檢 驗 工 作 往 往 流 于 形 式 ， 無 法 真 正 將 批 量 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 置 于 有 效 控 制 之 下 。 對 于 半 鋼 化 玻 璃 而 言 ， 抗 沖 擊 及 碎 片 試 驗 無 任 何 作 用 。 以 低 成 本 快 速 方 便 地 實 現(xiàn) 全 面 的 質(zhì) 量 控 制 ， 必 須 采 用 應 力 檢 測 方 法 來 穩(wěn) 定 生 產(chǎn) 及 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 。



表 面 應 力 無 損 檢 測 技 術(shù) 有 利 于 穩(wěn) 定 鋼 化 玻 璃 的 生 產(chǎn) 及 質(zhì) 量 ， 更 重 要 的 是 為 檢 驗 半 鋼 化 玻 璃 質(zhì) 量 提 供 了 切 實 可 行 的 測 試 手 段 。



1. 玻 璃 應 力 檢 測 原 理



玻 璃 經(jīng) 熱 處 理 冷 卻 后 ， 表 面 通 常 形 成 一 定 的 壓 力 ， 其 方 向 平 行 于 玻 璃 表 面 。 因 玻 璃 表 面 壓 應 力 與 內(nèi) 部 張 應 力 相 互 平 衡 、 及 應 力 的 各 向 同 性 ， 用 垂 直 玻 璃 平 面 的 透 射 光 是 無 法 測 應 力 的 。



當 偏 振 光 通 過 有 應 力 的 玻 璃 時 ， 形 成 二 束 相 互 垂 直 且 傳 播 速 度 不 同 的 光 束 ， 此 現(xiàn) 象 即 通 常 所 稱 的 “ 雙 折 射 ” ， 雙 折 射 率 為 ：Dn =na-nb , Dn與 玻 璃 中 的 應 力 s成 正 比 ， 即Dn=C*s。假 設 光 線 在 玻 璃 中 的 傳 播 距 離 為 t， 則 兩 光 束 的 光 程 差 R=Dn*t， 即 應 力 可 由 如 下 公 式 算 出 ：

s =Dn/C 或 s =R/t*c

其 中 C 稱 為 應 力 光 學 常 數(shù) ， 對 于 浮 法 玻 璃 ， C=2.65。



目 前 測 定 表 面 應 力 的 方 法 可 歸 納 為 二 種： 微 分 表 面 折 射 法 （Differential Surface Refractometry, 簡 稱 DSR）和 表 面 掠 角 偏 光 法 （Grazing Angle Surface Polarimetry, 簡 稱 GASP）



2. DSR表 面 應 力 儀



此 種 儀 器 由 美 國 GAERTNER SCIENTIFIC公 司 研 制 并 生 產(chǎn) ， 中 國 建 材 院 也 研 制 成 功 了 類 似 的 儀 器 。 DSR表 面 應 力 儀 一 般 由 光 源 、 棱 鏡 、 濾 鏡 、 望 遠 物 鏡 、 測 微 目 鏡 等 部 分 組 成（圖一） 。



DSR的 工 作 原 理 見 圖 二 。 當 一 定 入 射 角 的 光 線 到 達 玻 璃 與 棱 鏡 的 交 界 面 時 ， 由 于 雙 折 射 率 的 不 同 ， 光 束 會 分 成 以 不 同 臨 界 角 a，b反 射 返 回 棱 鏡 的 兩 路光 束 ， 通 過 用 測 微 目 鏡 測 定 兩 光 束 之 間 的 距 離 ， 即 可 得 到Dn數(shù) 據(jù) 并 依 據(jù) 公 式s =Dn/C算 出 應 力s值 。



如 果 應 力s =100MPa， 浮 法 玻 璃 的 C=2.65′10-12 m2/N ， 則 依 據(jù) 公 式Dn=C*s=0.000265. 此 數(shù) 據(jù) 較 小 ， 很 難 精 確 測 定 ， 因 此 DSR表 面 應 力 儀 精 度 不 高 ， 只 能 用 于 測 定 高 應 力 玻 璃 ， 不 能 用 于 半 鋼 化 玻 璃 。 GAERTNER SCIENTIFIC 公 司 在 其 儀 器 操 作 手 冊 中 明 確 表 示 ： “ 此 儀 器 無 意 、 也 不 能 夠 用 于 測 定 應 力 值 小 于 10,000psi（69MPa）的 玻 璃 產(chǎn) 品 。 ” 即 此 類 儀 器 做 的 再 好 ， 也 不 能 用 于 半 鋼 化玻 璃 。



除 精 確 度 不 高 以 外 ， DSR表 面 應 力 儀 還 存 在 零 點 易 飄 移 、 不 易 調(diào) 校 、 操 作 使 用 不 便 等 缺 點 。 其 優(yōu) 點 在 于 價 格 相 對 較 低 。



3. GASP表 面 應 力 儀



GASP應 力 儀 由 美 國 著 名 的 應 力 分 析 技 術(shù) 公 司 STI 研 制 生 產(chǎn) ， 國 內(nèi) 由 杭 州 聚 能 玻 璃 技 術(shù) 公 司 獨 家 代 理 并 提 供 售 后 服 務 及 零 配 件 供 應 。 國 內(nèi) 已 有 耀皮、 南 玻 、 國 家 玻 璃 質(zhì) 量 檢 驗 測 試 中 心 、 上 海 建 科 院 等 多 家 用 戶 。



GASP一 般 采 用 激 光 作 為 光 源 ， 其 他 組 件 主 要 包 括 透 鏡 組 、 入 射 棱 鏡 、 回 射 棱 鏡 、 反 射 鏡 、 石 英 楔 、 刻 度 盤 、 目 鏡 等 。 （見 圖 3）。



圖 4是 GASP工 作 原 理 圖 。 入 射 偏 振 光 束 進 入 玻 璃 表 面 薄 層 ， 平 行 玻 璃 表 面 運 行 一 段 距 離 t后 離 開 玻 璃 ， 由 于 玻 璃 表 面 壓 應 力 作 用 ， 光 束 產(chǎn) 生 雙 折 射 現(xiàn) 象 ， 其 光 程 差 可 借 助 石 英 楔 精 確 測 出 。 石 英 楔 可 制 成 多 種 精 度 等 級 ， 因 此 無 論 應 力 大 小 如 何 ， GASP均 可 精 確 地 予 以 測 定 。



4. 儀 器 校 驗 方 法



ASTM C1377提 供 了 一 種 校 驗 表 面 應 力 儀 的 方 法 ， 采 用 機 械 機 構(gòu) 在 玻 璃 條 上 施 加 恒 定 的 機 械 應 力 ， 將 計 算 得 到 的 機 械 應 力 數(shù) 值 與 儀 器 測 定 數(shù) 據(jù) 進 行 比 較 ， 就 能 得 到 校 驗 結(jié) 果 。



如 圖 5所 示 ， 將 寬 為 W， 厚 度 等 于 t的 玻 璃 條 兩 端 簡 支 并 在 離 兩 端 L。 距 離 的 位 置 上 施 加 F力 ， 則 玻 璃 中 間 段 表 面 應 力 S=F′6L0/wt2.



此 種 方 法 的 校 驗 精 確 度 主 要 取 決 于 裝 置 各 部 分 的 幾 何 尺 寸 。L0數(shù) 值 誤 差 必 須 小 于 1%， 這 樣 才 能 獲 得1%精 度 的 校 驗 結(jié) 果 。 玻 璃 斷 面 形 狀 也 是 非 常 重 要 的 ， 斷 面 為 10mm′75mm的 玻 璃 作 2mm′45°磨 邊 ， 則 會 減 少 斷 面 模 量 約1%， 實 際 應 力 比 計 算 結(jié) 果 將 同 樣 增 加1%左 右 。



5. 應 用



（1） 鋼 化 玻 璃



傳 統(tǒng) 檢 驗 鋼 化 玻 璃 的 方 法 是沖 擊 試 驗 ， GB9963及 GB9656規(guī) 定 在 50mm′50mm范 圍 內(nèi) 的 碎 片 數(shù) 須 大 于 40粒 。 試 驗 表 明 ， 在 鋼 化 玻 璃 應 力 范 圍 內(nèi) ， 表 面 應 力 值 與 碎 片 數(shù) 存 在 著 較 好 的 對 應 關 系 ， 根 據(jù) Jacobs給 出 的 圖 表 （圖 6）， 40粒 碎 片 數(shù) 對 應 的 表 面 應 力 值 約 為 82MPa.



(2)熱 增 強 玻 璃



熱 增 強 玻 璃 在 我 國 常 被 稱 為 “ 半 鋼 化 玻 璃 ”。 國 外 在 建 筑 上 應 用 非 常 普 遍 ， 有 較 好 的 抗 風 壓 能 力 。此 種 玻 璃 受 自 然 災 害 破 壞 后 傾 向 于 留 在 窗 框 內(nèi) 不 掉 落 ， 同 時 又 可 確 保 不 會 自 爆 。



需要指出，熱 增 強 玻 璃 與 鋼 化 玻 璃 是 二 種 不 同 類 型 的 玻 璃 ， 不 能 因 為 俗 稱 “ 半 鋼 化 玻 璃 ” 而 簡 單 地 認 為 它 是 一 種 性 能 劣 于 鋼 化 玻 璃 的 玻 璃 。 一 般 說 來 ， 鋼 化 玻 璃 適 用 于 人 體 能 接 觸 到 的 部 位 及 低 層 建 筑 。 由 于 普 通 鋼 化 玻 璃 的 自 爆 特 性 是 難 以 完 全 避 免 的 （玻 璃 中 的 硫 化 鎳 雜 質(zhì) 引 起 自 爆 ）， 大 量 應 用 中 必 定 有 一 些 在 使 用 過 程 中 自 爆 ， 碎 片 落 下 易 傷 人 ， 因 此 高 層 建 筑 上 應 盡 量 避 免 使 用 熱 增 強 玻 璃 。 如 因 其 它 原 因 必 須 使 用 鋼 化 玻 璃 ， 則 應 選 用 經(jīng) 老 化 處 理 的 鋼 化 玻 璃 。



因 碎 片 狀 態(tài) 類 似 于 退 火 玻 璃 ， 半 鋼 化 玻 璃 只 能 采 用 應 力 測 定 的 方 法 檢 驗 其 質(zhì) 量 。 需 要 注 意 的 是 ： ASTM規(guī) 定 熱 增 強 玻 璃 的 應 力 范 圍 是 24-51Mpa， 鋼 化 玻 璃 的 應 力 須大 于 69MPa。 應 力 為 51-69MPa范 圍 內(nèi) 的 玻 璃 是 廢 品 ， 它 既 不 能 用 作 鋼 化 玻 璃 ， 也 不 能 作 為 熱 增 強 玻 璃 使 用 。



(3) 鋼 化 安 全 玻 璃



大 量 經(jīng) 驗 表 明 ， 當 鋼 化 玻 璃 用 于 安 全 玻 璃 用 途 時 ， 其 表 面 應 力 值 通 常 大 于 103MPa。 常 見 的 例 子 是 汽 車 玻 璃 ， 如 應 力 小 于103MPa， 雖 然 碎 片 數(shù) 仍 能 滿 足 有 關 標 準 要 求 ， 但 玻 璃 強 度 略 嫌 不 夠 。 在 安 裝 及 使 用 過 程 中 ， 由 于 應 力 不 足 以 確 保 玻 璃 邊 部 不 受 損 傷 ， 常 常 發(fā) 生 玻 璃 碎 裂 的 情 況 。



（4）熱 彎 玻 璃



熱 彎 玻 璃 是 一 種 退 火 玻 璃 ， 要 求 玻 璃 內(nèi) 應 力 盡 可 能 小 ， 確 保 玻 璃 不 會 因 過 大 的 不 均 勻 應 力 而 破 裂 。 典 型 的 用 途 是 魚 缸 玻 璃 ， 在 彎 曲 部 分 應 力 較 集 中 ， 測 定 到 的 表 面 應 力 一 般 在 15MPa左 右 ， 易 導 致 玻 璃 碎 裂 。 通 過 檢 測 應 力 值 并 有 針 對 性 地 調(diào) 整 玻 璃 冷 卻 模 式 ， 較 終 可 將 局 部 應 力 降 至 7MPa以 下 ， 基 本 解 決 彎 角 破 裂 問 題 。