浅析玻璃应力的产生及消除

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

一 应力的基本概念

二 应力的种类及其产生原因

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

暂时应力是指当玻璃温度低于应变点(η=1013.6Pa·S)时处于弹性变形温度范围内(η=1014Pa·S)，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。

目前，污水处理比较先进的一种技术是MSBR工艺，其是连续流序批反应工艺的改良版。这种方式处理过后的污水能达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的要求，MSBR工艺能够有效除去水体中的氮、磷等，但是其效果受到某些因素的影响。

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。

(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。此时的应力是分布在熔融部位四周，如图2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。

(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。

(5)加热不均匀引起的应力情况

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。

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 5～6h。

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，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。

[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.

[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.