钢化玻璃自爆原因分析及检测方法研究

艳华

(1.蚌埠产品质量监督检验研究院 安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠市工商行政和质量技术监督管理局 安徽 蚌埠 233000)

钢化玻璃自爆原因分析及检测方法研究

孙凯1杜黎黎1孙艳华2牛一群1

(1.蚌埠产品质量监督检验研究院 安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠市工商行政和质量技术监督管理局 安徽 蚌埠 233000)

钢化玻璃被广泛应用在建筑施工、交通、生活起居、科研等不同领域，给我们的工作和生活带来了极大便利，但是钢化玻璃自爆问题始终无法回避，其特征表现为突发性和灾难性。因此，如何减少和预防钢化玻璃自爆是工程应用领域的关键问题。本文从多方面对钢化玻璃自爆原因进行分析，重点探讨了钢化玻璃自爆机理和检测方法，为减少和预防钢化玻璃自爆事故提供合理的解决方案。

钢化玻璃；自爆；原因分析；检测方法

一、前言

2003年12月4日，由国家质检总局、建设部、发改委与工商行政管理总局联合发布的《建筑安全玻璃管理规定》中指出：钢化玻璃、夹层玻璃及由钢化玻璃或夹层玻璃组合加工而成的其他玻璃制品属于安全玻璃。因钢化玻璃有强度高、热稳定性高、安全性高等优点，近年来被广泛应用在建筑、家具制造行业、电子、仪表行业、家电制造行业、汽车制造行业、科研等不同领域，给我们的工作和生活带来了极大便利。但钢化玻璃一直是存在着一项不可回避的问题——自爆，即钢化玻璃在无直接机械外力作用下发生的自动性炸裂的现象。鉴于这一缺陷，钢化玻璃的应用和发展受到了严重制约[1]。

自爆，是钢化玻璃固有特性之一。在目前的钢化玻璃生产技术来看，完全消除自爆这一缺陷是不可能的，虽然人们长期在研究降低钢化玻璃的自爆方法，如采用使钢化玻璃均质化、半钢化等措施，但自爆现象仍不可避免。

二、钢化玻璃自爆原因分析

从钢化玻璃诞生起，就伴随着自爆。因此，钢化玻璃自爆可以表述为钢化玻璃在没有外力作用的情况下而发生破碎的现象，在生产加工、运输贮存、安装使用等各环节中均有可能发生自爆。

(一)钢化玻璃自爆分类

1.玻璃内部缺陷和杂质

玻璃含有硫化镍杂质。在玻璃生产过程中，不锈钢生产流水线机械是使玻璃中存在杂质的最常见的原因。随着时间的推移，这些含镍的不锈钢碎屑慢慢形成了玻璃的内应力。当内应力超出了玻璃强度，就会形成爆裂。此外，在熔融玻璃时，里面的耐火砖碎渣可能会融进玻璃内，在玻璃出炉时形成杂质。这些杂质在玻璃加热过程中会因异常受热，而使玻璃爆裂。

2.安装损坏

玻璃搬运和安装过程中，搬运工往往会将玻璃边缘弄出缺口或裂缝。在玻璃装箱过程中，如果打包工人钉箱子时角度不正确，也容易将钉子和螺丝订在玻璃上，使玻璃出现缺口或裂缝。这些小的缺口或裂缝可能不会立即导致爆裂，但不久后，随着玻璃膨胀和收缩，在缺口周围的应力集中会导致爆裂。通常情况下，钢化玻璃会因此而整体爆裂。

3.热应力

有吸热(反射)涂层的大块密封中空玻璃(隔热玻璃)最容易发生自爆。涂层用于“第二道”表面(外层玻璃的内表面)，在太阳的辐射下，外层玻璃和内层玻璃受热不均匀，随着外层玻璃受热扩张，整个玻璃向外弯曲。如果间隔条或者其他玻璃边部的连接点的距离太小，弯曲应力会超过玻璃的强度，导致爆裂。

4.环境影响

玻璃膨胀和收缩与风引起的玻璃表面温度变化或偏转有关，所以几乎所有的现代玻璃都会在底部装上弹性块，并在安装时玻璃顶部和四周会给玻璃膨胀预留出一定的空间。玻璃框内的垫圈会有弹性，缓冲风对玻璃的冲击力使玻璃爆裂。

5.不恰当的玻璃厚度

玻璃厚度过大或过小，不能承受风压，在风的作用下会导致爆裂。

(二)钢化玻璃不可控自爆的特点

钢化玻璃自爆发生的时间具有不确定性，可能是刚加工完成，也可能是出厂后1到2月，也有出厂1到2年后才发生自爆的，据了解，钢化玻璃发生自爆时间较多的是产品生产完成后4到5年，且钢化玻璃自爆率率为千分之三左右，个别生产厂家产品的概率可能还要高。

钢化玻璃发生自爆的根本原因是因为玻璃原片中含有硫化镍和异质相颗粒杂质。镍最大可能的来源是生产设备上所使用的各种含镍合金部件以及窑炉上所使用的各种耐热合金。对于燃油的熔窑，曾有报道在小炉生产中发现富镍的凝结物。硫主要来源于配合料中及燃料中的含硫物质。当加工温度超过1000℃时，硫化镍以液滴形式存在于熔融玻璃中，这些小液滴的固化温度为797℃。1克硫化镍就能生成约一千个直径为0.15mm的结石。而硫化镍在生产完成后任何时间都有可能发生，故现在还不能完全避免，至今也无有效的预防办法，通常被称为“玻璃的癌症”[2]。

(三)钢化玻璃不可控自爆的原因

对硫化镍微粒引发的钢化玻璃自爆，已经被学者们的广泛研究。硫化镍粒子造成钢化玻璃自爆需要两个条件：其一硫化镍粒子所处位置的张应力大小；其二硫化镍粒子的尺寸。其机理是玻璃在钢化的过程中，需要经过高温处理，玻璃原片中所含有的硫化镍将全部转变为高温α态；在随后的淬冷过程中，高温α态的硫化镍来不及转变为低温β态，即被冻结在钢化玻璃中。而钢化玻璃在使用中，通常处于室温环境下，而此时的硫化镍高温态是不稳定的，有可能逐渐转变为低温态。在这个转变过程中，硫化镍将伴随有约2%至4%的体积膨胀，使玻璃承受较大的相变张应力，最终导致钢化玻璃自爆。学者们对异质微粒引起的钢化玻璃自爆也有了新的研究，在钢化后的降温过程中，玻璃对异质微粒产生越来越大的压应力，反之异质微粒对周边的玻璃形成等值的径向压应力和切向拉应力。对于物理钢化玻璃，表面受压应力，中间受拉应力区，异质微粒周围的切向拉应力与钢化玻璃的拉应力相互叠加，使得异质微粒周围垂直于玻璃面的拉应力达到最大，当局部拉应力达到一定程度，就有可能导致钢化玻璃破裂。同时，当最大拉应力达到玻璃的断裂强度时，便会形成一种危险的不稳定系统，一旦有温度变化或者外部作用力，局部应力就可能超过强度值而引发钢化玻璃自爆。

通常，对钢化玻璃自爆的研究，多为对爆裂后的玻璃碎片进行分析。但此时钢化自爆已经发生，损失和伤害已经发生。因此，应加强对自爆前的钢化玻璃进行检测，记录查找各种可能与钢化玻璃自爆相关的表征数据，然后通过钢化玻璃发生自爆后，对其玻璃碎片进行分析，找到钢化玻璃自爆的起始点，分析该点的相关参数，找到钢化玻璃自爆的特征参数，建立一种钢化玻璃自爆的检测方法，为钢化玻璃相关标准的完善提供依据。

三、钢化玻璃自爆的基本原理

钢化玻璃硫化镍、三氧化二铝及其他异质微粒与玻璃基体不同，在玻璃升温和降温过程中易在其周边产生应力集中。以下公式给出了异质微粒附近的径向应力和切向应力[3]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中σr为径向应力，σt为切向应力，a为颗粒半径，r为球对称的轴坐标，P为颗粒与玻璃之间界面的正压应力，它的函数算值如下：

(3)

式(3)中下标p和m分别代表颗粒和基体；E、α、ν分别代表弹性模量、膨胀系数和泊松比。

在上述公式中，当参数值温度差△T或者(αm-αp)是负值，异质颗粒将受到压力；反之将受到拉力。对于颗粒在玻璃基体中，其降温过程温差是负的，也就是说颗粒周边的径向应力是压力，切向应力是拉力，即切向应力是玻璃裂爆的起始根源。

因此，钢化玻璃的自爆是由拉应力层内的局部应力过于集中引起的，而应力过于集中是由杂质颗粒与玻璃之间的界面产生的压力所致，而产生颗粒界面压力的原因有多种，如硫化镍、三氧化二铝在温度变化过程中的热变形。因此，钢化玻璃自爆的直接原因只有一个，那就是局部应力集中，间接原因有很多种。钢化玻璃应力集中程度受到多种因素影响，引起这种应力集中的缺陷或杂质往往也多种多样。

四、钢化玻璃自爆检测方法研究

运用透射/反射两用光弹扫描仪，采用无线数据和图像远程传输，结合PLC图像分析系统，可完成钢化玻璃自爆源及自爆风险的无损现场检测。检测钢化玻璃自爆源的透射式/反射式光弹扫描仪的原理和结构示意图如图所示[4]。

图1 检测钢化玻璃自爆源的透射式/反射式光弹装置示意图

钢化玻璃自爆源与自爆风险现场检测光弹扫描仪可实现现场对钢化玻璃自动扫描，当发现自爆源应力光斑时，PLC图像分析系统可对自爆源及其自爆源光斑的位置、形貌、大小、明亮程度进行分析，从而预测钢化玻璃自爆源的自爆风险程度。

五、结论

本文通过对钢化玻璃自爆危害、原因进行分析，确定了钢化玻璃自爆可控原因和不可控原因，直接原因和间接原因，探讨了钢化玻璃自爆的基本原理，结合扫描仪、PLC图像分析等现代科学技术，建立了钢化玻璃自爆检测方法，为现行钢化玻璃国家标准的完善提供依据。

[1]万德田，包亦望等．门窗幕墙用钢化玻璃自爆源和自爆机理分析及在线检测技术[J]．中国建材科技，2010，S2: 178-184．

[2]包亦望，刘正权．钢化玻璃自爆机理与自爆准则及其影响因素[J]．无机材料学报，2016，31 (4): 401-406．

[3]陈晓艳，刘军．钢化玻璃的自爆[J]．科技风，2008，02: 26-27

[4]包亦望，万德田等．钢化玻璃自爆源和自爆机理分析[J]．建筑玻璃与工业玻璃，2007，11: 10-14．

孙凯(1981.05-),男，汉族，籍贯皖.涡阳，硕士，高级工程师，研究方向检验检测。