紅外輻射加熱封接技術助力鋼化真空玻璃高效封接

　　真空玻璃是當今世界節(jié)能效果最好的玻璃產(chǎn)品之一。用鋼化玻璃替代普通玻璃制備出的真空玻璃，可有效提高產(chǎn)品的安全可靠性、美觀性，已經(jīng)成為真空玻璃領域的研究熱點。在眾多研發(fā)單位之中，中國建筑材料科學研究總院玻璃院近期的的研發(fā)成果十分引人注目，這就是鋼化真空玻璃紅外輻射加熱封接技術，同時，它也是第四屆中國玻璃創(chuàng)新推動力大獎——科技創(chuàng)新大獎的獲獎項目。

　　這項技術結合特殊光譜吸收的封接玻璃焊料，可有效降低封接過程中鋼化玻璃的應力衰退，實現(xiàn)鋼化真空玻璃的高效、高質封接，目前已經(jīng)具備成套技術解決方案和工業(yè)化設備，成為鋼化真空玻璃產(chǎn)業(yè)化的最佳途徑。在采訪中，該研發(fā)團隊負責人中國建筑材料科學研究總院玻璃深加工技術研究所副所長李要輝博士，向記者講述了這項創(chuàng)新技術的研發(fā)實踐經(jīng)歷。

　　玻璃封接工藝成突破口

　　對采用鋼化玻璃有助于提高真空玻璃產(chǎn)品性能行業(yè)已經(jīng)達成共識，但按照傳統(tǒng)的真空玻璃封接工藝，當環(huán)境溫度接近或者超過玻璃的Tg溫度后，其鋼化度將會快速衰減。這一現(xiàn)象帶來的后果是，即使利用了鋼化玻璃原片，卻仍得不到真正的鋼化真空玻璃。由此，李要輝認定，要從根本上解決高溫封接與鋼化應力衰減之間的矛盾，必須把玻璃封接工藝作為突破口。

　　“我們研發(fā)的這項技術原理有點類似于微波爐的工作原理�！崩钜�輝笑說，“我們試圖利用特定能量波段的光輻射加熱爐，使玻璃封接焊料在短時間內先于鋼化玻璃達到設定溫度，實現(xiàn)焊接料的熔融、流動、致密封接。而平板玻璃由于避開了主能量波段的吸收，玻璃基體的溫度升高有限，可以避免鋼化玻璃過度升溫引起應力衰退�！�

　　基于這一想法，李要輝及其團隊進行了一番工藝設計：由于平板玻璃在波長小于5μm的紅外波段具有較高的透過率，所以采用紅外熱源的主能量波段主要集中在近、中紅外波段(主能量波長小于5μm)；封接介質為具有特征紅外吸收特性的低溫封接玻璃粉或漿料，為了實現(xiàn)紅外輻射加熱時封接料的快速吸熱升溫并熔融封接，其在波長小于5μm的紅外波段具有較強的吸收效果。

　　實驗數(shù)據(jù)表明，利用紅外輻射加熱結合特征紅外吸收封接焊料，加熱過程中鋼化玻璃溫度和封接料的溫度差值在30℃左右，且低熔點封接焊料的升溫速率較快，可以在短時間內達到預定封接溫度，可以有效縮短基板玻璃在高溫封接溫度段的保持時間，這無疑對實現(xiàn)封接過程鋼化應力的維持具有重要意義。

　　“得益于紅外加熱的超高效率和超高靈敏度，這項技術在保證封接質量的前提下，可以大大縮短整個封接工藝的周期，30分鐘基本可以實現(xiàn)整個升降溫過程，生產(chǎn)環(huán)節(jié)效率高、能耗小，可以有效降低鋼化真空玻璃的制備成本。”李要輝說。

　　新材料和新設備促封接技術落地

　　在上述原理獲得驗證基礎上，紅外吸收封接焊料的無鉛化也是研發(fā)團隊所認定必須解決的技術難題。

　　據(jù)李要輝介紹，雖然500℃左右的無鉛封接焊料已經(jīng)是相當成熟的產(chǎn)品，但可用于真空玻璃封接的并不多見，能用于鋼化真空玻璃紅外輻射加熱封接的無鉛玻璃焊料更是尚屬空白。

　　鑒于此，建材總院在多年無鉛低溫玻璃研究基礎上，加快了真空玻璃用無鉛低溫焊料的研發(fā)進程，尤其針對紅外輻射加熱用具有光譜選擇性吸收的無鉛玻璃焊料，進行了一系列的實驗制備和性能測試，最終取得了技術上的突破，獲得了階段性的成功。

　　“經(jīng)考核，這種低溫無鉛玻璃焊料的封接溫度、膨脹系數(shù)、密封性、粘接強度等參數(shù)都能符合真空玻璃要求，我們也探索出了適合鋼化真空玻璃生產(chǎn)線量產(chǎn)的無鉛封接工藝�！崩钜�輝表示，在上述材料和工藝技術相繼成熟和獲得授權保護基礎上，近期已實現(xiàn)了無鉛低溫封接玻璃材料的系列化設計、批量化生產(chǎn)、標準化定型，可以滿足400~500℃熔封溫度區(qū)間、70~120×10-7/k膨脹系數(shù)調整、粉體/漿料/預制件多種形式的制品和應用需求。

　　根據(jù)紅外輻射加熱的技術原理，以及無鉛吸紅外封接玻璃焊料的光學特性，建材總院提出了全新的鋼化真空玻璃封接工藝，其紅外熱源可以整體覆蓋鋼化玻璃進行輻射加熱，也可以針對封接區(qū)域進行局部輻射加熱(局部輻射光源方式不限)，但要求在封接區(qū)域及周邊2~5cm區(qū)域內輻照強度分布均勻。

　　經(jīng)過3年多工藝試驗及裝備開發(fā)，逐步優(yōu)化封接玻璃焊料紅外吸收特性設計和紅外輻射加熱技術的原理驗證，研發(fā)團隊相繼完成了300×300mm全鋼化真空玻璃封接爐原理驗證樣機的制備；700×1000mm單體封接爐研制、放大工藝試驗和樣品制備；以及1000×2000mm第一代鋼化真空玻璃紅外快速封接線的建造。

　　期間，李要輝所帶領的團隊深入開展了基于光輻射加熱技術的快速封邊技術研究，取得了完整的關鍵技術參數(shù)與工藝數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)了無鉛低溫封接玻璃粉、封接裝備及封接工藝集成化技術體系建立。

　　“以上技術與裝備，創(chuàng)新了一條鋼化真空玻璃工業(yè)化生產(chǎn)技術路線，最大程度地縮短了鋼化玻璃被加熱的時間，降低了焊接時玻璃的溫度，可以使鋼化玻璃保留初始強度的85%以上，滿足建筑使用的強度和安全要求。”李要輝說。

　　經(jīng)調試、運行、驗收的第一條自動化連續(xù)鋼化玻璃封接設備，實現(xiàn)了含鉛/無鉛封接玻璃焊料+離線/在線Low-E玻璃型真空玻璃的批量制備，達到了6分鐘/片的高速制備效率。在超低熔點的無鉛焊接玻璃未能實現(xiàn)低成本、批量制備前，這可能是解決無鉛鋼化真空玻璃工業(yè)化生產(chǎn)的唯一途徑。

　　創(chuàng)造性提出柔性支撐方案

　　除封接這一關鍵問題之外，支撐物的有效支撐也成為李要輝研究團對重點關注的問題，也是其下一步繼續(xù)研究的方向所在。

　　“這是因為，支撐物在真空玻璃制造和使用過程中始終扮演最重要的角色。支撐物材料、布放及有效支撐直接決定著真空玻璃的性能，支撐效果和質量直接影響真空玻璃的使用承載能力和壽命。”

　　目前，業(yè)內多用定厚的金屬圓環(huán)、圓片或者圓球支撐物，以及鋼化釉料點狀支撐結構，均無法與鋼化玻璃的平整度進行有效合理匹配。為此，建材總院提出了柔性支撐或者自適應型支撐方案，即以新型的柔性、熱變形材料為依托，研制膨脹系數(shù)合適、彈性模量適中、熱變形可調的支撐體系。

　　項目組通過支撐物的預制、預燒后，在封接時可根據(jù)上下鋼化玻璃原片的平整度，即空腔間隙厚度，在一定的溫度下實現(xiàn)支撐物厚度、形狀以及接觸微結構的自動調整，隨著溫度的降低固化支撐狀態(tài)，達到最終的有效支撐。為此，對該支撐材料的熱學、力學(熱變形)特征做了精細研究，并對該材料的燒結、軟化、熔化以及流動性、浸潤性等進行了大量的試驗摸索。

　　通過對不同玻璃陶瓷基支撐材料熱膨脹系數(shù)、熱變形溫度的篩選，可以實現(xiàn)其在400~450℃溫度范圍內的一定軟化度，即可以在邊部夾持、負壓、配重等情況下，根據(jù)其與鋼化玻璃表面的接觸和擠壓情況，進行形狀的改變。

　　在上述材料及理念的指導下，建材總院開展了新型支撐體系的快速布置技術研究，由于支撐材料及結構的自調整特性，對支撐物自身原始的尺寸精度要求大大降低，故絲網(wǎng)印刷技術、3D打印技術、點膠技術均可在真空玻璃支撐物設計和高效布置中得到廣泛的應用。建材總院開發(fā)的支撐物介質漿料和支撐物點膠印刷樣品已經(jīng)得到了驗證應用，經(jīng)過后續(xù)的產(chǎn)品系列化完善以及專用設備的開發(fā)，將會為高品質鋼化真空玻璃的研制提供強大的優(yōu)化解決方案。