抗辐照玻璃生产过程中气泡的产生与对策

董永亮

（秦皇岛星箭特种玻璃有限公司 秦皇岛 066000）

0 引言

气泡是玻璃熔化成形过程中常见的一种缺陷，玻璃中气泡产生的主要原因有：一次气泡（配合料残留气泡）、熔化二次气泡、外界空气气泡、耐火材料气泡和外界金属（如金属铁、铝等）污染气泡等多种。在实际生产过程中，玻璃产生气泡的原因很多，其产生的情况也很复杂。通常需要判断气泡是如何产生的，研究气泡产生的热历史过程，再根据原料、熔制、成形、退火工艺技术参数条件，采取相应的措施加以解决。

抗辐照玻璃是一种用于太空飞行器上硅太阳能电池表面的防护材料，其具有抗高能粒子辐照、耐高低温冲击、高透过率等优良性能，随着航天科技的迅速发展，我国各类新形卫星、登月设备、空间站、深空探测设备等航天装备越来越多，各类航天设备对一次能源和温度控制系统的要求也越来越高。而作为航天器一次能源系统的配套产品，抗辐照玻璃盖片本身质量对能源系统稳定具有重要的影响，也直接影响航天装备的应用寿命。由于抗辐照玻璃的组成是含有氧化铝质量分数5%以上的玻璃制品，熔化时玻璃液的黏度较大，其熔化和澄清困难，而这种玻璃的成形料块需要无条纹、无气泡、无结石、无线道、无节瘤等缺陷，以满足空间飞行器的长时间工作要求。

1 空间抗辐照玻璃生产过程中出现的气泡问题

1.1 生产工艺流程

（1）设计玻璃的配方

据空间抗辐照玻璃的性能及熔制、成形工艺要求，设计玻璃组成配方，空间抗辐照玻璃配方中以质量分数计：SiO253%～65%，Al2O33%～7%，B2O37%～11%，CaO 1%～4%，ZnO 1.5%～2.5%，MgO 4%～6%，Na2O 4.5%～8.5%，SrO 3.5%～6.5%，K2O 2%～4%，CeO24%～9%，Li2O 0.3%～1.9%，Sb2O30.1%～0.6%。

（2）熔化

按上述组分配比的原料经过混合均匀后加入电熔窑中，熔化温度为1 550～1 640 ℃，熔化时间为24～36 h；

（3）澄清均化

熔化好的玻璃液通过流液洞依次进入竖直上升道和水平主料道进行澄清均化，澄清均化温度范围为1 580～1 680 ℃，熔化时间为30～40 h；

（4）成形

经澄清均化好的玻璃液进入成形模具，成形温度控制在1 100～1 250 ℃之间，拉引速度为8～40 m/h，玻璃厚度为20～60 mm；

（5）退火

成形后的玻璃带进入退火窑进行精密退火，退火温度范围为530～590 ℃，熔化时间为20～40 h；

（6）切割、包装出厂

退火完成后的玻璃盖片根据所需要的尺寸进行切割等冷加工处理，同时根据具体使用需要进行表面增强处理，玻璃产品检验合格后包装出厂。

1.2 主要配置及技术参数

抗辐照玻璃采用电熔窑来熔化的技术方案，电熔化的实质是在高温情况下，在无机材料中电极端施以交变电压，驱使高温导电离子的往复运动。在玻璃介质中产生焦耳热使之温度升高，电熔窑应用于几乎所有玻璃，特别是难熔玻璃。目前，全电熔炉规模从日产几十千克到日产100吨以上，并呈不断扩展的态势。

电熔炉的特点是结构设计合理，死角少，放料溢料灵活，挑料滴料无脏料，耐材优化配置，即用材强度和质量提高，避免过热过冷冲击，炉龄大大提高（最长可以应用3～5年），信息化、数字化甚至智能化在电熔玻璃窑炉中应用越来越广泛。

（1）电熔窑窑炉结构为四方形，采用4对电极的熔化方案，电熔窑中在玻璃液不同深度处布置两层钼加热电极，每层设置一对钼加热电极。钼加热电极中的钼含量不小于99.95%，密度大于10.15 g/cm3，钼加热电极的长度为1 500 mm，直径为f80 mm。

（2）流液洞的横截面为矩形，该矩形的高度为180 mm、宽度为200 mm。

（3）竖直上升道为与水平主料道垂直设置的竖直通道，通道内全部充满玻璃液，该竖直中空通道内部有分上、下层设置的2个钼电极加热元件。

（4）水平主料道为水平放置的上部为中空、下部为玻璃液的通道，该通道内部的顶端设置有硅碳棒加热元件，通道的顶端还设置有通孔，搅拌棒穿过通孔并借助定位机构定位，该通道的入口与竖直上升道的出口连通。

（5）退火窑结构中包括玻璃带入口、玻璃带出口及在窑内设置的玻璃带传送网带，在玻璃带传送网带上、下方设置电热丝，玻璃带入口与成形机的出口连接。

（6）电熔窑、流液洞及澄清均化用通道均是用氧化法无缩孔浇筑41#无缩孔电熔锆刚玉砖砌筑而成。

在抗辐照玻璃生产中，初期成形过程中的玻璃料块里气泡密集，块状玻璃制品无法进行二次加工，严重影响玻璃的成品率 。成形玻璃的气泡分布见图1。

图1 生产实验初期气泡分布情况

从图1中可以看出，玻璃中的气泡分布没有规律，玻璃断面的所有位置都有气泡产生，其产生的原因可能会有多种，需根据气泡产生的原因进行有针对性地分析、调整和解决。

2 气泡来源分析

2.1 内部气泡

抗辐照玻璃熔化实验初期，玻璃料块内部气泡密集产生。此时在熔化池直接取一定量的玻璃液进行分析，发现熔化池所取样品并无气泡，如图2所示。

图2 熔化池取玻璃液样品气泡情况

因此排除了由于熔化而产生气泡。在搅拌锅内部处取出一定量的玻璃液进行观察，发现搅拌锅处玻璃液中有明显气泡分布，如图3所示。

图3 搅拌锅处取玻璃液样品气泡情况

分析其原因，可能是由于上升道和料道二次加热而产生的气泡。

2.2 表层气泡

当玻璃料块内部气泡消失后，成形时玻璃上表层出现线状气泡，在出料口管壁位置用看火镜片观察，发现气泡顺着出料口管壁流出，在搅拌锅处取玻璃液进行观察，所取样品没有发现气泡，判定气泡产生原因是由搅拌锅外铂金出料管二次加热产生。综合进行分析，两次气泡产生都是由于二次加热，说明熔化池的玻璃液温度较低。调整后料块里气泡消失后表层成形时气泡分布情况如图4所示。

图4 表层成形时气泡分布

3 玻璃液中气泡消除方法

3.1 增大熔化部电流，提高玻璃液整体温度

当熔化部钼电极电流为750 A时，池壁温度为870 ℃；熔化部钼电极电流加至850 A时，池壁温度达到940 ℃；再次增加熔化部钼电极电流至1 000 A时，熔化部池壁温度达到1 000 ℃，此时变压器输出达到额定上限。取熔化池玻璃液样品观察分析，未发现有气泡产生。

3.2 降低上升道电极和料道电极电流

为避免二次加热产生气泡，调整电流使上升道电极和料道电极只起到辅助保温作用，促进熔化部温度达成平衡状态。

（1）当上升道电极电流200 A、料道电极210 A时，熔化部池壁温度900 ℃（采用盲孔测温），上升道温度920 ℃（采用盲孔测温）、料道池壁930 ℃（采用盲孔测温），温度高于熔化部温度，在搅拌锅处取玻璃液样品观察分析，发现玻璃液中有密集气泡存在，同时取熔化池内玻璃液样品，未发现有气泡。

（2）当上升道电极电流180 A，料道电极170 A时，并适当增加熔化部电流，池壁温度达到1 000 ℃，上升道、料道温度分别为985 ℃和975 ℃，搅拌锅处取玻璃液样品观察分析，玻璃液质量良好，未发现有气泡产生。

3.3 提升搅拌锅空间温度

通过提升搅拌锅的空间温度，避免从料道过来的玻璃液因搅拌锅处空间温度降低，造成铂金出料管二次加热，在玻璃的表面产生气泡。

当料道空间温度达到1 400 ℃，而搅拌锅空间温度为1 350 ℃时，发现铂金出料口管壁外有小气泡顺着流下，呈线状分布在成形玻璃带上层表面，此时玻璃带里面并无气泡；将搅拌锅空间温度升至1 420 ℃， 料道空间温度降至1 380 ℃时，成形的玻璃上层表面气泡消失。

3.4 调整结果

经过多次实验调整，使熔化池温度、上升道温度、料道温度、搅拌锅空间温度、铂金出料管温度达到由高到低的一条曲线状态，熔化池池壁温度1 000 ℃（采用盲孔测温），上升道池壁温度985 ℃（采用盲孔测温），料道池壁温度975 ℃（采用盲孔测温），搅拌锅空间1 420 ℃，铂金出料管温度1 300 ℃）。最终使玻璃料块内部和表面的气泡完全消失，满足应用要求。其效果见图5所示。

图5 经过实验调整后最终玻璃产品

从图5中可以看出，经过一系列实验调整后，最终气泡基本完全消失，经过加工的玻璃料块无气泡，透过率高。经过深加工处理后，其产品将应用于各种型号的卫星及航天器上，各项性能指标完全满足应用要求。

4 结语

由于抗辐照玻璃对气泡、条纹方面的缺陷要求较高，在生产过程中对其温度的稳定性要求严格，必须控制好玻璃的温度等各项参数。

由于目前实验窑炉采用的是盲孔测温，所有温度电流等需要摸索试验，针对熔化部、上升道和料道的具体要求，在窑炉设计上搅拌锅处采用铂金套管来精准测量玻璃液温度，以便根据温度分布状况来调整熔化部、上升道、料道和搅拌锅空间电极的电流情况，避免由于二次加热而导致气泡的产生，满足空间抗辐照玻璃的制备要求。