钢化玻璃彩虹斑纹现象的工艺控制

 

      1 彩虹斑纹产生的原因

 

        首先，我们从玻璃材料和光学的角度对彩虹斑纹现象进行分析。

 

        钢化之前的浮法玻璃原片，在结构上属于原子排列不规则的无定形结构，属于各向同性材料，就是说各个方向的物理化学性质在宏观上相同。因为，玻璃在进行钢化之前其原子排列在微观上杂乱无章，导致了宏观上的物理化学的各向同性，各向同性的结果是光线在通过玻璃时，总能有合适的通路可以使光线通过，所以退火良好的浮法玻璃原片，光线通过的速度在所有方向都一样，出射光与入射光没有变化，不会出现彩虹斑纹的现象。

 

        钢化后的玻璃会在玻璃的表面层形成永久的压应力，在玻璃的内部形成永久的张应力，存在从表面到中心，同一表面层的不同位置的密度的差异。宏观上相对不规则的原子排列造成钢化后的玻璃成为各向异性材料。当一束偏振光通过钢化玻璃时，这就使得让可见光线通过的通路成为一条曲折的路线，由于玻璃内部存在着光密度差异，这束光会被分解为两束传播速度不同的偏振光，即一束为传播速度相对较快的光，一束为传播速度相对较慢的光。当在某一点形成的两束光与在另外一点形成的光束相交时，由于光传播速度的不同在光束相交点存在着相位差，在这一点上两束光就会产生干涉现象，当两束光线的振幅方向相同时，光线被加强，在视觉上产生亮视场，即彩虹斑纹。所以，钢化玻璃应力分布越不均匀，表面所产生的彩虹斑纹现象就越为明显。

 

      2 避免和减轻彩虹斑纹的工艺控制方法

 

        通过上述分析，可以明确导致钢化玻璃出现彩虹斑纹现象的罪魁祸首是玻璃钢化后的应力分布不均匀所造成的，如果玻璃在钢化后应力分布越均匀，出现的彩虹斑纹就越小。

 

      2.1玻璃的加热

 

        要想避免和减轻玻璃钢化后的彩虹斑纹，玻璃在进行风冷前玻璃各个区域的温度必须做到高度的均匀一致，否则玻璃温度相对高区域所产生的内部张应力大，表面压应力较小，玻璃温度相对低的区域所产生的内部张应力小，外部压应力较大，最终导致玻璃表面产生分布不均匀的应力。玻璃加热不均匀的主要因素是加热炉的各个区域的炉温不一致。

 

 

        为了做到加热炉内温度分布均匀一致，我们应当合理控制：1）炉内温度设定。在设定加热炉温度时，要充分考虑炉体边部的散热情况，炉体边部的温度设置要略高于中部炉体的炉温设置。另外，要保证炉体边部的密封良好，同时保温棉无出现破损现象；2）要保证炉体内温度传感器的准确性。对于出现故障的温度传感器要及时进行更换；3）不能正常进行加热的加热器（元件）及时进行更换；4）玻璃进炉前合理的上片码放，不能反复使用某一种码放排列方法，这样会导致该区域温度低于长时间未码放玻璃的区域；5）加热炉的炉丝布局对玻璃的均匀加热也十分重要，建议选用矩阵式炉丝布局。

 

      2.2玻璃的吹风冷却

 

        加热后的玻璃在进行急冷时，对钢化应力的形成是非常重要的。加热后的玻璃在进行急冷吹风时，由于吹风冷却的不均匀也会导致应力的不均匀。冷却强度越大，该区域玻璃表面的压应力就越大，这样，冷却强度相对较大的区域就会形成玻璃表面层压应力大，冷却强度小的区域就会形成玻璃表面层的压应力小。

 

        为了避免由于吹风冷却过程而造成的应力分布不均匀，我们须控制：(1)必须保证钢化炉急冷段的风栅所有吹风孔无遮挡，完全通透；(2)上、下风栅的导风管保证无破损漏气且无折皱，特别是下风栅的导风管，在进行生产前要清理掉积压在下风栅导风管上的碎玻璃渣；(3)保证风冷段辊道所缠绕的芳纶绳间隙一致。加热后在玻璃传输到风冷段时，风冷段辊道也具有一定的导热能力，玻璃与辊道接触的部位被迅速冷却，如果风冷段辊道所缠绕的芳纶绳的间隙不一致，同样会造成玻璃的冷却不均匀；(4)风冷段上、下风栅风眼孔径的大小要一致，风眼的孔壁表面要保证光洁，不能存在金属毛刺。如果风眼孔壁存在金属毛剌很粗糙，吹出来的风一定程度上会被阻滞，也会对玻璃的均匀冷却产生影响。

 

        吹风冷却时玻璃的冷摆运动。玻璃进行急冷时，从风栅孔中喷出的高速气流呈圆锥状，它不断与玻璃摩擦，进行能量交换。从热力学分析，气流垂直冷却玻璃板面时，冷却的速度与气流相对于玻璃运动的速度有关。玻璃在进行冷却时，在理想条件下两面冷却是对称进行的，玻璃板面的冷却速度（见图1如示）与风栅吹风孔中心轴越近，冷却的速度越快，其结果造成玻璃钢化应力分不均匀。提高玻璃与风栅的相对运动速度有利于玻璃的均匀冷却，玻璃在吹风冷却时应采用小摆幅高频率的冷摆动。

 

      3 钢化玻璃的安装角度与观察角度

 

        调整钢化玻璃的安装角度与观察角度在一定程度上可以避免彩虹斑产生视觉影响。钢化玻璃彩虹斑的出现与玻璃的安装角度和观察角度有很大的关系，之所以我们能看到钢化彩虹斑，是由于可见光线通过玻璃时发生了偏振。光线从玻璃的表面以某一角度反射时，就有部分光线发生了偏振，同样透过玻璃的折射光也有部分发生了偏振，当可见光线的入射角的正切值与玻璃的折射率相等时反射偏振达到最大值。无色透明玻璃（浮法玻璃）的折射率为1.5，光线以56°的入射角从玻璃表面所反射的光几乎全部为偏振光，玻璃表面的反射率为4％，我们所看到的反射光是从两个各为4％的反射率的表面反射的。光线照射到门窗幕墙的内表面时，由于反射光经过了存在应力的玻璃，这部分光与门窗幕墙外表面的反射光发生干涉作用就产生了彩色斑纹，因此，在以入射角56°观察玻璃时彩虹斑纹最为明显，特别是采用钢中空玻璃的门窗幕墙，由于反射面较多偏振光也较多，对于有同样应力不均匀的钢化玻璃，我们看到的彩虹就会显得更加严重。

 

      4 结语

 

        随着人们审美水平的提高，对于钢化玻璃在要求安全强度性能的同时，彩虹斑现象应当引起每一位玻璃材料科技工作者的重视，减轻乃至消除钢化玻璃应力分布不均匀应当成为努力方向和目标。只要我们选用合理的钢化设备和控制工艺，完全可以达到减少光彩虹斑现象的出现，达到对钢化玻璃的美观要求。