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1、太 阳 能 SOLAR ENERGY SOLAR ENERGY 19/2012 62 一 应力的基本概念 玻璃是一种热的不良导体， 一块玻璃(无应力 存在)在加热或冷却的过程中， 由于玻璃的外层直 接受热或首先冷却， 而玻璃的内部间接受热(靠热 传导将外层热量传导到内部)或后冷却， 因此在玻 璃表面和内部会产生温度差(称温度梯度)。加热 时， 直接受热的玻璃表面温度高， 间接受热的玻璃 内部温度低， 这时受热的玻璃外层力求膨胀， 向四 周扩张， 而温度较低的内部企图维持其原状， 就阻 碍着外层的扩张。这样在玻璃内部就产生了膨胀 与反膨胀的作用， 也就产生了伸张与压缩的作用。 外层膨胀时有一压力
2、作用于玻璃内层，玻璃内部 受力后产生一个对应的力作用于玻璃外层，压制 玻璃外层向内内膨胀。这样相互作用的结果就会 在玻璃内部产生两种应力，一种“压应力” ，一种 是“张应力” 。企图阻碍玻璃外层向玻璃内部膨胀 而作用于外层的力称作“压应力” ，玻璃外层向内 膨胀而作用于玻璃内部的力称作“张应力” ，即一 块玻璃在加热时，外层产生的是“压应力” ，内部 产生的是“张应力” 。 “压应力”及“张应力”总称 为应力(或内应力)。 二 应力的种类及其产生原因 浅析玻璃应力的产生及消除 应力存在于玻璃制品中是极为有害的，完成的产品如不经过仔细的退火处理，很可能引起产品 自然爆裂， 造成意想不到的损失。
3、因此在玻璃制品的生产过程中， 必须严格控制应力的产生， 当 应力不可避免的产生时，要采取一定的措施消除应力，以达到玻璃制品合格安全的目的。 玻璃应力；退火 摘 要： 关键词： 皇明太阳能股份有限公司 肖成珍 刘培先 张继磊 林超 袁铁生 以产生原因为标准可分为热应力、 结构应力和 机械应力 ； 以作用范围为标准可分为宏观应力(由外 力作用或热作用产生)、微观应力(玻璃的微观不均 匀区域中存在的或分相引起的应力)和超微观应力 (玻璃中相当于晶胞大小的体积范围内存在的应力)。 1 热应力 热应力是玻璃中由于温度差而产生的应力。 按其存在的特点又可分为暂时应力和永久应力。 (1) 暂时应力 暂 时
4、应 力 是 指 当 玻 璃 温 度 低 于 应 变 点 (=10 13. 6PaS)时处于弹性变形温度范围内 (=1014PaS)， 即脆性状态时， 经受不均匀的温度 变化产生的热应力。其特点是随温度梯度的产生 而产生，随温度梯度的消失而消失。 (2) 永久应力 永久应力是玻璃在高于其应变点时，温度梯 度会引起玻璃结构变化，这种玻璃结构变化在低 于应变点时产生并保持的热应力。其特点是温度 梯度消失后，永久应力不消失。 2 结构应力 结构应力是玻璃中两部分区域，化学组成不 均匀导致结构不均匀而产生不同的膨胀系数，因 而产生的应力， 如条纹、 结石、 节瘤等不均匀体都 大家谈 太 阳 能 SOLA
5、R ENERGY SOLAR ENERGY 19/2012 63 会产生结构应力。 其特点是 ： 结构应力是由于玻璃 固有结构造成的应力，无法通过退火清除。 3 机械应力 机械应力是玻璃制品受到外力作用时玻璃中产 生的应力。 在低温下外力撤去后， 机械应力随之消 失。 如果机械应力超过应力极限， 会导致制品破裂。 三 灯工加工产生应力的分布情况 玻璃管在常温下，经灯工喷灯火焰局部加热 吹制成型，被加热部位与未被加热部位之间形成 一条很窄的热分界区，这个分界区就是应力集中 的部位。 温度越高， 应力越严重。 在同样加工温度 条件下，膨胀系统大的玻璃比膨胀系数小的玻璃 应力严重。 经灯工加工而产生
6、应力的分布情况大致有以 下几种： (1) 旋转熔融的应力部位 玻璃管通过操作者双手在喷灯火焰中旋转熔 融， 此时产生的应力不是在熔融部位， 而分布在熔 融部位的两侧， 约在离开火焰边缘的地方。 因为玻 璃管是玻璃旋转加热， 故应力呈环形线状出现(在 偏光仪下可显现出)，如图1 所示。 (3) 环形接头的应力部位 环形接头是指有内芯的焊接。这时产生的应 力分布情况除了与单接头旋转熔融的应力部位相 同外， 在内芯的焊接处也存在较严重的应力， 如图 3 所示。 (2) 侧面熔的应力部位 玻璃管的开孔、侧接及侧面内芯焊接、玻璃 管加热时都不旋转，因此产生的应力分布情况与 上述情况不同。此时的应力是分布
7、在熔融部位四 周，如图2 所示。 图1 旋转熔融应力的部位 图2 侧面熔融应力的部位 图3 环形接头应力的部位 图4 夹套两头封接的应力部位 (4) 夹套产品两头封接的应力部位 尽管玻璃仪器夹套产品的形式多种多样，但 均为两头封接。 例如普通直型冷凝管， 当两头封接 完毕， 不仅外套管上有应力存在， 而且内芯也存在 严重的应力(通常所说的拉力)，如图4所示。如果 把它放在偏光仪中，可看到内芯与外套颜色明显 不同(内芯是黄色，外套是深紫色)。在这种情况 下，制品极易爆裂。 大家谈 太 阳 能 SOLAR ENERGY SOLAR ENERGY 19/2012 64 (5) 加热不均匀引起的应力情
8、况 在操作过程中，不小心将强烈氧气火焰烧到 不需要加热的部位， 虽然立刻离开， 但如果忘记及 时作退火处理，玻璃管内外层会产生很大的温度 差，从而形成块状应力，使玻璃管呈网状表面爆 裂。在加工毛细管时，如果未能安全熔融(即内层 未达到转化温度)，也会产生上述情况，见图 5。 退火温度左右火焰才发红，这是掌握火候的重要 标志)， 渐渐关闭压缩空气， 让还原火焰 “文火” 略 微烘一下即可。 必须注意， 退火时不能将玻璃管烧 熔(最多烧至微呈暗红色)，否则将产生新的应力， 而退火时间太短或火焰温度太低，也不能达到退 火目的。 (2) 当玻璃管熔融面积大而火焰宽度不够时， 可移动工件以取得退火效果，
9、也可将熔融部位两 侧的热分界分别加以退火。 (3) 夹层环形接头制品，除采取上述步骤外， 应增加“文火” 的烘烤时间， 目的是缩小内、 外层 冷却时的温度差(使内、外层玻璃管基本上同时冷 却到转化温度以下)。 (4) 毛细管及大型壁厚制品退火时，表层虽已 达到退火温度， 火焰也已发红， 但由于壁厚， 玻璃 内部很可能还未达到退火温度。 这时应适当延长退 火时间(火焰温度不必提高)，冷却速度也应缓慢。 (5) 软质玻璃制品退火时，当达到退火温度 后，温度需逐步降低，增加“文火”烘的时间，以 达到缓慢冷却的目的。 玻璃仪器生产单位，一般情况都是当天产品 当天进退火窑退火，所以喷灯火焰退火只要求使
10、应力扩散即可。而某些没有专门退火设备的科研 单位、 实验室等， 可根据上述几点原则处理。 如果 掌握得当，虽有轻微应力存在，但产品不会爆裂， 不影响使用。 参考文献 1 陈恭源. 浮法玻璃退火理论M. 2003. 2 武汉建筑材料工业学院, 华东化工学院, 浙江大学. 玻璃工艺 原理M. 北京: 中国建筑工业出版社, 1981. 3 陈晖. 浅谈做好玻璃灯工实验的关键J. 南平师专学报, 1995, (4): 50. 4 赵建军. 厚玻璃退火常见问题的解决方法J. 建材世界, 2009, 30(2): 62 63. 5 陈恭源. 玻璃的退火J. 玻璃, 2005, 179(2): 54 59.
11、 6 干福熹. 光学玻璃M. 北京: 科学出版社, 1964:354. 7 孙承绪, 刘全清. 浮法玻璃在退火过程中玻璃带内的温度场 和应力松弛J. 硅酸盐学报, 1991, 19(1): 86 91. 8 托利 F V. 玻璃制造手册(下)M. 北京: 北京建筑工业出版社, 1983: 78. 图5 加热不均匀引起的应力 四 应力的消除退火 一般玻璃制品在加工完毕后均要进行退火。 所谓退火就是将制品加热至玻璃的转化温度以上， 然后缓慢冷却，使玻璃制品外层和内部的温度同 时降低到转化温度以下。 其目的是消除应力， 避免 制品爆裂。 一般来说，玻璃的膨胀系数越大，玻璃管壁 越厚， 产品形状越复杂， 应力越严重， 相应的在开 始退火时，产品的预热和冷却所要求的时间就越 长。如硬质玻璃GG- 17和95玻璃的退火时间约为 2h， 而壁厚、 大型的钠钙玻璃(软质玻璃)制品却需 要56h。 此外，玻璃制品应力的消除还与玻璃的粘度 有关，粘度越小，应力的消除越快。 由于玻璃制品在吹制过程中产生应力情况不 同，因此退火的部位也各不相同。玻璃壁厚度不 同， 退火的程度也会不同。 一般要掌握以下原则： (1) 薄壁玻璃管小面积熔融的两侧或四周的热 分界区，可用两倍于熔融面积宽度的氧化性火焰 加热，至火焰发红时(玻璃管在火焰中加热，达到 大家谈
