（机械工程专业论文）真空玻璃激光焊接的成型研究.pdf

摘要 真空平板玻璃是一种透明、节能型高技术玻璃深加工产品，制造技术难度高，其中封 边性能是一个一直困扰科研工作者的难点。真空玻璃封边焊接涉及到脆性材料( 玻璃) 的 热应力问题，而脆性材料的焊接不同于金属材料，其传热系数小，易碎等特性，决定了其 不能用普通焊接方法焊接。现阶段，真空平板玻璃采用高温熔接法封接，该方法将玻璃和 焊料放入高频加热炉中，焊料和玻璃基材温度较均匀，热应力较小，但其生产速度较慢。 本文来源于国家自然科学基金项目面向长时间高温封接的真空平板玻璃l o w e 膜失效 机理及其对玻璃表面应力分布的影响研究。在掌握高温生产制造真空平板玻璃的工艺基 础上，充分理解激光焊接技术的条件下，借助有限元分析软件a n s y s 模拟分析真空平板 玻璃激光焊接的成型过程，并通过对微观组织结构分析检验激光焊接的可行性，来解决现 阶段真空平板玻璃不能快速封边问题。 研究发现，热量的输入是影响真空平板玻璃焊接性能的重要因素之一。热输入量越小， 热源性质就可控制较为精确，焊接时的热影响区的热膨胀量就小，出现的残余应力越小， 越不容易产生因受热不均造成的破碎现象。激光焊接具有高能量密度、焊接速度快、热影 响区较小的特点，是较为理想的焊接脆性材料的方法。 本文中，运用有限元软件a n s y s 模拟真空玻璃激光焊接过程中温度场的变化状况， 找到了温度场变化的规律，即热源加载完成后，玻璃基材随热源升温的速度非常不均匀， 靠近焊料的部分温度变化较大，远离焊料的部位没有变化，热量沿垂直玻璃面的z 方向温 度梯度变化较大，且热量向四周对流散热量较多，向内部传递热量较少。通过热结构耦合 模拟分析了温度梯度对应力应变产生的影响状况，真空保温状态下是边角处变形较大，常 温下冷却时周边变形较小而中间部位变形最大。 本文中实验是在对玻璃基材、低熔点焊料充分预热的条件下，用激光对真空玻璃封边。 在严格控制热输入量的情况下，快速对试件四边进行焊接，以保证各边受热均匀，从而提 高接头的塑性和强度。通过两种不同激光束运动速度5 m m s 、1 0 m m s 状况下的试样组织结 构分析，得出5 m m s 速度较匹配试验中激光束能量密度，能够顺利制造出焊缝组织结构晶 粒生长状况较好的试样，且从能谱图得出焊料与玻璃基材结合较好的结果。 综上所述，本文通过有限元分析，正确分析了焊接过程中温度场变化对应力应变产生 的影响过程；通过实验，分析了不同组织结构形状对应的焊接后结构性能的影响，说明激 光焊接技术可以应用于真空平板玻璃的侧封，作为国家自然科学基金项目的组成部分，本 课题具有良好的工程实际意义。 关键词：真空平板玻璃；激光焊接；有限元法；微观组织 n a b s t r a c t t h ev a c u u mp l a t eg l a s si st r a n s p a r e n t ，e n e r g y e 历c i e n t ，h i g h t e c h ，d e e p p r o c e s s i n gg l a s s p r o d u c t i t sm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sd i f f i c u l t w h i c he d g ep e r f o r m a n c ei sad i 街c u l t yt h a t h a sb e e np l a g u e db ys c i e n t i s t s ，砀ee d g ew e l d i n go fv a c u u mp l a t eg l a s si sr e l a t e dt ot h e r m a l s t r e s sp r o b l e m so fb r i t t l em a t e r i a l s ( g l a s s ) a n db r i t t l em a t e r i a l sw e l d i n ga r ed i f f e r e n tf r o mt h a t o fm e t a lm a t e r i a l s i ti sn o tu s en o r m a lw e l d i n gm e t h o d sw e l d i n g ，b e c a u s ei t sh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ti ss m a l l a n di t sf r a g i l ef e a t u r e a tt h i ss t a g e w eu s eh i g h - t e m p e r a t u r ew e l d i n gt os e a l t h ev a c u u mp l a t eg l a s s i nt h i sm e t h o d t h eg l a s sa n ds o l d e ra r ep u ti n t o 廿l eh i g h f r e q u e n c y f u r n a c e s o l d e ra n dt h eg l a s ss u b s t r a t eh ea ：t e dm o r ee v e n l y , l e s st h e r m a ls t r e s s ：h o w e v e r , t h e p r o d u c t i o ni ss l o w t h j sa r t i c l e d e r i v e df r o mt h ep r o j e c to ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n t h ep r o j e c tn a m ei s a f t e rh i g h - t e m p e r a t u r em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h ev a c u u mp l a t eg l a s sa r em a s t e r e d t h e c o n d i t i o n so ft h el a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g ya r eu n d e r s t o o di sp r e s e n c e 1 1 1 eh e l po ft h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h em o l d i n gp r o c e s so ft h e s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ev a c u u m p l a t eg l a s sw h i c hi sm a n u f a c t u r e db yl a s e rw e l d i n g t h ef e a s i b i l i t ya n di n s p e c t i o no fl a s e r w e l d i n gi sc a r r i e do u tb ys t u d yt h em i c r o s t r u c t u r e a f t e ra l l - e v e r y t h i n gi st or e s o l v et h ep r o b l e m o ff a s t i n ge d g ev a c u u mp l a t eg l a s sc a nn o tb ec a r r i e d 1 1 1 es t u d yf o u n dt h a tt h eh e a ti n p u ti sa ni m p o r t a n tf a c t o ro fw e l d i n gp e r f o r m a n c eo ft h e v a c u u mp l a t eg l a s s t h es m a l l e rt h ea m o u n to fh e a ti r l p u t ，h e a ts o u r c en a t u r ec a nb ec o n t r o l l e d m o r ep r e c i s e l y , t h ea m o u n to ft h e r m a le x p a n s i o no ft h ew e l d i n gh e a ta f f e c t e dz o n ei ss m a l l e r ；t h e r e s i d u a ls t r e s si ss m a l l e r , l e s sp r o n et of r a g m e n t a t i o np h e n o m e n o nc a u s e db yt h eu n e v e nh e a t i n g l a s e rw e l d i n gw i t hh i g he n e r g yd e n s i t ya n df a s tw e l d i n gs p e e d a n ds m a l l e rh e a t a f f e c t e dz o n e ， i sa ni d e a lw e l d i n go fb r i t t l e m a t e r i a l s i nt h i sp a d e r t h ec h a n g e so ft h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep r o c e s so fl a s e rw e l d i n gv a c u u m g l a s si sa n a l o gi nu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s n l el a wo ft h et e m p e r a t u r ef i e l d c h a n g e si sf o n d a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h el o a dh e a ts o u r c e ，w i t ht h eh e a ts o u r c et oh e a tu p ，t h e g l a s ss u b s t r a t et e m p e r a t u r ei n c r e a s e st h es p e e di sv e r yu n e v e n p a r tc l o s et ot h es o l d e r , t h el a r g e t e m p e r a t u r ec h a n g e s ；t h es i t ea w a yf r o mt h es o l d e r , t h et e m p e r a t u r ed o e sn o tc h a n g e ；h e a ta l o n g t h ezd i r e c t i o no ft h ev e r t i c a lg l a s ss u r f a c e t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t ；a n dh e a tt ot h es u r r o u n d i n g d i s p e r s e dm o r ec a l o r i e s 1 e s sh e a tt o t h ei n t e r n a lt r a n s m i s s i o n t h e r m a ls t r u c t u r ec o u p l e d s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ei m p a c to ft e m p e r a t u r eg r a d i e n to nt h es t r e s s s t r a i nc o n d i t i o n s n e s t a t eo fv a c u u mi n s u l a t i o ni nt h ec o m e r s ，t h e r ei sal a r g ed e f o r m a t i o n ；c o o l i n ga tr o o m t e m p e r a t u r e t h ee d g eo ft h ed e f o r m a t i o ni ss m a l l t h em i d d l ep a r to fh a v e 也em a x i m u m d e f o r m a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，f u l l yp r e h e a t e dg l a s ss u b s 订a t ec o n d i t i o n s ，f u l l yp r e h e a ts o l d e rc o n d i t i o n s ； e x p e r i m e n to fl a s e rv a c u u mg l a s se d g ei sc a r r i e do u ts m o o t h l y f o u rs i d e so ft h es p e c i m e nu n d e r t h es t r i c tc o n t r o lo fh e a ti n p u tf o rf a s tw e l d i n g ，t oe n s u r et h a tt h eh e a te v e n l yo na l ls i d e s ，t o i m p r o v et h ed u c t i l i t ya n ds t r e n g t ho f t h ej o i n t s u n d e rt w od i f f e r e n tl a s e rb e a mv e l o c i t yo f5 m m s ，10 m m sc o n d i t i o n s ，b ya n a l y z i n go r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo fh es a m p l e s ，c o m et o5 m m s s p e e da n dl a s e rb e a me n e r g yd e n s i t ym a t c hb e t t e rt h a n1o m m ss p e e da n dl a s e rb e a me n e r g y d e n s i t y ag o o ds p e c i m e no ft h ew e l ds t r u c t u r eo fg r a i ng r o w t hs i t u a t i o ni sa b l et oc r e a t e s u c c e s s f u l l y , a n ds o l d e ra n dg l a s ss u b s 仃a t ec o m b i n e dw i t hb e t t e rr e s u l t so b t a i n e df r o mt h e e n e r g ys p e c t r u m i ns u m m a r y , t h i sp a p e rt h r o u g ht h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；t e m p e r a t u r ef i e l d si nt h e w e l d i n gp r o c e s si m p a c tt h es t r e s s s 仃a i np r o c e s si sa n a l y z e dc o r r e c t l y n l r o u g ht h ee x p e r i m e n t ， t h ed i f f e r e n to r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fs t r u c t u r a ls h a p e sc o r r e s p o n d i n gt ot h e w e l d i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d a 1 1o ft h e s ea r e ：v a c u u mp l a t eg l a s sc a nb ea p p l i e dt ol a s e rw e l d i n g t e c h n i q u e f i n a l l y , a sa ni n t e g r a lp a r to ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t t h e s u b je c th a s ag o o dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：v a c u u mp l a t eg l a s s ；l a s e rw e l d i n g ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；m i e r o s t r u c t u r e 目录 h i 摘要i a b s l 】? a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 真空平板玻璃简介1 1 2 1 真空平板玻璃的发展史1 1 2 2 透光保温玻璃的研究进展4 1 3 真空玻璃制造技术的关键问题研究6 1 3 1 真空平板玻璃的制造工艺6 1 3 2 真空平板玻璃的支撑物7 1 3 3 平板形玻璃的相关应力研究8 1 4 真空玻璃激光焊接的研究进展9 1 5 课题来源与研究内容10 1 6 本章小结1 1 第二章真空玻璃激光焊接的有限元分析1 2 2 1 有限元法及a n s y s 软件特点1 2 2 2 温度场的有限元分析1 5 2 2 1 定义材料属性1 5 2 2 2 建模与划分网格1 5 2 2 3 热源的施加16 2 2 4 激光焊接温度场分析1 7 2 2 5 时间步长的确定1 7 2 2 6 计算及结果分析17 2 3 残余应力应变的有限元分析2 1 2 3 1 热结构耦合2 l 2 3 2 边界条件的处理2 2 2 3 3 计算结果及分析2 2 2 4 本章小结3 0 第三章真空玻璃激光焊接试验材料及测试方法31 3 1 实验材料3 1 3 2 激光焊接技术3 1 3 2 1 激光焊接。31 3 2 2 激光焊接的优缺点3 2 3 2 3 激光同金属材料间的相互作用3 2 3 2 4 激光与非金属材料之间的相互作用3 4 3 3 激光参数对焊接性能的影响3 5 3 4n d ：y a g 激光器3 5 3 5 实验方案3 6 3 6 切割实验试样3 6 3 7 测试方法3 7 3 7 1 金相分析技术3 7 3 7 2 扫描电镜和能谱分析3 8 3 8 本章小结4 0 第四章真空玻璃激光焊接试验研究4 1 4 1 焊前表面处理4 1 4 1 1 手工研磨处理。4 1 4 1 2 表面清洗4 1 4 2 焊前样品制作与干燥处理4 1 4 3 实验过程4 2 4 3 1 抽真空4 3 4 3 2 真空环境中预热4 3 4 3 3 焊封样品实验。4 3 4 4 实验分析4 3 4 4 1 切割试样4 3 4 4 2 金相组织测试4 4 4 4 3 扫描电镜( s e m ) 4 6 4 4 4 能谱分析5 0 4 5 本章小结5 2 第五章总结和展望5 3 5 1 工作总结5 3 5 2 工作展望5 3 参考文献5 5 附表5 8 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表论文6 0 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书6 1 孙敢真空玻璃激光焊接的成型研究 1 1 前言 第一章绪论 温室种植规模通过近些年的迅猛发展，逐渐成为我国三高农业的重要标志之一。我国 加入w t o 以后，由于人均种植面积及机械化程度方面远远比不上欧美国家，所以造成主 要粮食作物很难在与国外粮食作物竞争中取胜。科技密集型农业、劳动密集型和精细农业 是我国加入w o t 以后农业可持续发展的一条重要途径。因此，温室养殖业、温室种植业 等还将高速发展，这些产业也将成为我国支柱产业之一。 良好的透光保温材料的应用起步，是设施农业的发展的前提，所以，透光保温材料的 发展，是设施农业科技向前进步的重要基石之一。寻找优良的透光保温材料，是设施农业 科技工作者一直艰苦求索的重要课题。而研究优良透光保温材料的封接技术、机械制造与 自动化技术、精密测量技术等科技领域是真空玻璃制造工作者的主要任务之一。 真空平板玻璃是一种节能、透光型高科技深加工产品，其生产技术涉及到真空技术、 封接技术、镀膜技术、清洁技术、机械自动化技术、精密测量技术等等科技领域，它在太 阳能集热器、车船门窗、保温箱柜及建筑物等各种需要“隔热透明材料”的领域具有广阔 的应用前景，是当今国内外玻璃加工技术的研究热剧。由于制造真空平板玻璃技术难度 较高，掌握其制造技术的人数甚微，所以目前其理论方面研究仍然处于起步阶段。 目前，镀膜真空平板玻璃的封边大都采用高温熔接法。熔接法是将低熔点玻璃粉放在 两块己镀膜玻璃板的间隙中，在4 0 0 。c 下加热，在去除镀膜玻璃表面附着的水分及有机物 的同时将两片玻璃板的四周封边，形成一个整体，起到密封作用。由于制备镀膜真空平板 玻璃时，镀膜的一些物质在高温环境下会被热分解而失效，进而影响镀膜的红外反射率和 可见光透过率。另外，由于镀膜与玻璃的热膨胀系数存在差异，在玻璃冷却过程中会产生 热负荷应力，该应力超过影响支撑或者封边的许用应力，就会造成镀膜真空平板玻璃的失 效，所以找到较好的镀膜真空平板玻璃封边方法对真空玻璃的制造与研究具有重要意义。 1 2 真空平板玻璃简介 1 2 1 真空平板玻璃的发展史 1 8 9 3 年，英国化学家、物理学家“占姆士杜瓦 发明了保温瓶，保温瓶又叫作“杜瓦 瓶”。从发明保温瓶以后，科学家们就开始有了一个梦想，什么时候能将保温瓶技术应用到 生产建筑玻璃窗上。要实现从杜瓦瓶到真空平板玻璃的飞跃，有三大难题摆在人们面前。 第一、真空平板玻璃是一个大表面积、小容积而狭窄扁平的玻璃腔体。怎样能够快速 将玻璃腔残余气体抽出，并使其真空度降到对传热忽略不计的程度；同时，保证真空平板 玻璃使用过程中，能够长期保持其真空腔的真空度。 2 扬州大学硕士学位论文 第二、与杜瓦瓶不同，真空平板玻璃没有容易抗压的圆柱体结构，它是平板型结构， 需要使用支撑柱来承受1 0 5 p a 的大气压，并且在工程应用中，支撑物能必须使真空平板玻 璃产品符合玻璃产品设计标准要求中要求的强度和力学特性。 第三、比杜瓦瓶更难的是，真空平板玻璃是门、窗用透明玻璃材料，在支撑物的选材 上和抽气口的设计上，应不影响产品透明和美观1 2 。 真空玻璃是中空玻璃的升级换代产品，它运用保温瓶的原理，放置两片平行的玻璃板 四周封边而形成空间，并对该空间抽真空，从而使其形成真空层。实际上，z o l l e r 在1 9 1 3 年就提出真空平板玻璃的概念【3 】【4 】，并发布了世界上第一个平板真空玻璃专利【5 】o 而后，科 学家们相继进行了大量的探索，促进了真空玻璃的研究。但是，平板真空并不像杜瓦瓶那 样，它不会因为真空所产生的大气压而相互平衡；相反，它必须要承受每平方米1 0 吨的 大气压力以保证真空腔不至于消失。平板真空保温与杜瓦瓶保温的另一不同点是：真空平 板玻璃必顺在平板的四边大面积地封焊，不可能只在一侧封焊而使两块玻璃密封起来，而 且它不能漏气，要解决这些生产工艺问题并非易事。 1 9 2 1 年k i r l i n 6 提出在两玻璃板间放许多“凸块”来制造真空平板玻璃，这种办法的的 另一个特点是：靠近玻璃板的一个边是波形或弯曲的，以便在窗户受热膨胀时吸收另一边 的移动【7 】【8 1 。 1 9 4 7 年w h a t t a n 和m y e r 剀以发表专利的形式全面地描述了真空平板玻璃的制造工艺。 该制造工艺是将熔点比玻璃板熔点低的“条子”放在两块玻璃边的间隙中，“条子”在真空环 境中进行熔化。这样熔接时，在真空平板玻璃中形成许多小格，同时也提出在玻璃内表面 镀膜，以减少辐射传热的可能性【7 】【8 1 。 1 9 7 6 年c h a l o n s 1 0 提出一种真空管的结构设计，将真空玻璃管抽成真空后密封。此外， 他还提出两块玻璃板之间的间隙尽量小，并用“玻璃球”做支撑物的观点【7 】【8 】。 1 9 7 6 年f a l b e l i l l 】发表的专利也提出了真空管保温技术，该专利指出：支承物间相距 2 5 m m ，内表面镀银。f a l b e l 承认有内爆的危险，提出玻璃之间应留有小缝隙。隔层可以用 云母制成，高0 7 5 m m ，面积为o 5 0 5 h l i l l 2 。他分析了应力状况，预言隔层内压缩应力为 2 0 0 m p a ，3 m m 厚玻璃板内压缩应加0 7 m p a ，声称传热性能是0 , 3 w m 2 k 【7 】【8 】。 1 9 7 7 年h e r m a l m 和h o r s t e 1 2 1 描述了一种新的保温结构，由一排密封的真空玻璃管构 成，玻璃管相互靠近，内表面上有低发射率涂层。这种结构的透光性很好，但视觉畸变厉 害。c o p p l a 1 3 1 和k e n n y l l 4 在1 9 8 0 年发表专利中提出了类似的想法，专利包括太阳能集热 真空玻璃的制造方法，同样也存在着视觉畸变问题【7 1 【8 1 。 1 9 8 1 年a s s a r s s o n 1 5 1 发表了一份欧洲专利，涉及真空玻璃窗的制造方法，这种窗户有 许多支承物，形成小玻璃室结构。两块玻璃之间距离很小，只需要大约0 3 3 m m 小的缝隙； 支承物面积也很小，只占用玻璃板表面积的很小部份，因此损失很少的玻璃透明度。但文 献中没有谈及如何抽成真空和怎样进行密封处理 7 】【8 1 。 1 9 8 8 年b e u t h e 1 6 提出放置支柱的新方法：用水把玻璃球或聚氯乙烯球拌匀先放在一片 孙敢真空玻璃激光焊接的成型研究 玻璃板上( 玻璃板水平放置) ，水要尽量少。水分被蒸发后球固定在玻璃板上，再把另一块 玻璃板放上，然后封边( a n 放涂铅玻璃丝) ，最后通过加热熔融，并通过抽真空管抽成真空 7 1 1 8 1 o 1 9 8 7 年b a c h l i 1 7 】在发表的研究报告对真空窗玻璃进行最广泛的研究。在这篇研究报告 中，b a c h l i 提出来解决抽真空、封边、热膨胀等主要问题的解决办法。该方法认为，必须 使用弹性封边，才可吸收热膨胀差产生的应力【7 儿引。 美国的一篇专利【1 8 1 4 6 8 3 1 5 4 ( 1 9 8 7 ) 详细介绍了真空玻璃窗。提出用玻璃球做柱，激 光焊接封边，涂设低辐射膜，装有吸气剂，能够使真空度保持多年。j o r g e n s e n 、t r a c y 和 b e n s o n 1 9 】在1 9 8 4 年的研究提出，用玻璃球做支撑柱，加上低辐射涂料涂层可生产出隔热 效果好的真空玻璃。1 9 8 5 年b e n s o n 和t r a c y 2 0 】又提出用c 0 2 激光器封接真空玻璃的可能 性。他们发现，在高温熔接过程中只有少量的低辐射涂层保留其原有特性。在1 9 8 6 年他 们研究【2 1 】指出，玻璃球和玻璃板接触的部位存在接触应力，并认为这种应力是由风负载、 热膨胀和通过支撑球的热传导产生的。他们在1 9 8 7 年建成了真空炉【2 2 j ，使用4 0 0 瓦的c 0 2 激光器并配以激光光束的转向机构。真空条件下激光封边存在很多困难，他们用大量的实 践最终制成高度保温真空窗户，取得了激光封边和制造隔热性好的窗用真空玻璃的经验。 美国太阳能研究所( s e ) 在1 9 9 0 周全地研究了美国西北部地区的建筑物使用窗用 真空玻璃的节能效果，预测每年每平方米窗可节能约7 0 0 m j 。若真空窗玻璃得到广泛应用， 其生产成本将决定窗用真空玻璃的命运。研究报告【2 3 j 指出，设计和生产的每一个工艺都是 可行的，但仍需进一步研究激光焊接法在真空玻璃窗中的实验研究。 2 0 世纪8 0 年代起，科学家们对真空玻璃的研究开发逐渐活跃起来，其中有两个团体 的研究成就影响深远。一个是美国克罗拉多太阳能研究所( s e ) 由d k b e n s o n 教授领 导的真空玻璃研究小组，经过1 9 8 5 年1 9 9 1 年的大量实验研究，得到了许多值得让后人 借鉴的理论、思路和经验，但仍未成功制成真空平板玻璃。他们创作的典型专利【2 4 j 指出， 用玻璃珠阵y u ( 直径o 3 0 5 m m ，间距2 5 3 5 m m ) 作为支撑物将两块玻璃板隔开，放进加热炉 中排气烘烤，并按工艺按要求抽真空，在真空度达到要求后，用红外探测照相机指引c 0 2 激光束缓慢焊接玻璃边缘，使两块平板玻璃四周熔合而制成真空平板玻璃。就现在来看， 专利中提供的设备己达到了很高的水平。随着科技的发展，运用这种设备制成真空玻璃可 能性大大增加。 另一个是悉尼大学应用物理系r e c o l l i n s 教授领导的研究小组，1 9 8 9 年1 9 9 4 年间， 他们运用传统的电真空器件制作理念，进一步改进工艺：玻璃封边用低熔点玻璃粉，设置 专门的抽气口抽真空，用玻璃或陶瓷做支撑柱等。他们在19 9 2 年发表的文章t r a n s p a r e n t e v a c u a t e di n s u l a t i o n 2 5 j ，该文于1 9 9 7 年被国际太阳能协会授予“鲁道夫最佳论文奖”。并在 1 9 9 3 年研制出第一块真正能够实用的真空玻璃，该玻璃规格为l m l m 26 | ，并申请了几项 专利。其参与者中，有中国原北京大学物理系唐健正教授。其后，在此基础上，国内外研 究者又相继做出了许多科研成果，并发表了许多专利，但其中大多数主要介绍玻璃板的支 4 扬州大学硕士学位论文 撑方法。但这也是可喜的成绩，因为人类在发明杜瓦瓶之后整整1 0 0 年，终于又发明了真 空平板玻璃。英国、希腊和日本等国的科学家也做了大量的类似研究。 日本板硝子玻璃公司最先于1 9 9 4 年引进悉尼大学专利技术，并在1 9 9 6 年在京都工厂 建成真空玻璃生产线，年产6 万平方米。19 9 8 年提高到年产2 4 万平方米，并在该年份在 茨城县建材中心投资2 0 亿元，用于建设年产2 4 万平方米的真空玻璃长，其结果是该公司 年产真空玻璃近5 0 万平方米，销售额1 0 0 亿日元。韩国、法国、丹麦等国也在研制真空 玻璃，但均未达到工业化生产水平，日本板硝子玻璃公司是国外唯一将真空玻璃产业化的 一家公司【2 6 】【2 7 1 1 2 8 1 。 日本板硝子玻璃公司的产品为两层单真空腔玻璃，采用的玻璃表面封焊工艺( 面封) ， 其产品的性能指标如表1 1 1 2 9 1 。 表1 - 1 日本板硝子玻璃公司真空玻璃产品性能指标 t a b l e1 - 1p e r f o r m a n c eo f v a c u u mg l a s sp r o d u c t so f n i p p o ns h e e tg l a s sg l a s sc o m p a n y 2 0 0 1 年3 月成立的北京新立基真空玻璃技术有限公司，是我国第一家专业致力于真空 玻璃开发和应用的企业，是目前我国唯一一家具有全套自动化真空玻璃生产线，并且能够 产业化、规模化生产真空玻璃的企业。同年，公司成立了我国第1 个真空玻璃技术研究所， 采用环形支撑物( 包括闭合环形和开口环形) 代替圆柱形或类似圆柱形的环形支撑物，进 一步改进工艺、提高产品质量，并于2 0 0 4 年在建成了年产真空玻璃5 万平方米的自动化 生产线。次年新建了第2 条生产线，年总产量高达1 5 万平方米【3 0 】。 扬州大学机械工程学院与中国农业大学生物环境与能源工程重点开放试验室，从2 0 0 1 年开始联合攻关，首次提出侧边封头工艺，解决了真空玻璃制造工艺中的关键技术，使真 空玻璃不但美观，更提高其安全性能。更重要的是使真空烘烤排气封头工艺提高生产率1 0 多倍【3 1 】【3 2 1 。 由于真空平板玻璃在制造工艺方面仍属刚刚起步，虽然经过短暂的发展，并有成熟的 制造工艺用于真空平板玻璃的制造，但制造效率仍然底下，这是造成真空平板玻璃成本较 高，生产用消耗能源较多，并难于产业化的重要原因，所以对于真空平板玻璃的先进制造 技术研究就显得非常重要。 1 2 2 透光保温玻璃的研究进展 有机材料易于静电吸附尘埃、易老化，而尘埃中含有一些酸性或碱性的物质，这些物 质又使材料的老化进一步加速，这导致p e t p 、p v c 、p e 等类材料的使用寿命较短，一般 孙敢真空玻璃激光焊接的成型研究 为5 - - 一1 0 年，待超过其使用寿命以后，其透光率将大幅度下降，进而大大影响了在温室种 植的农产品的品质3 3 】【3 4 1 。因此，研制使用寿命( 1 0 、一1 5 年) 期限更长的盖层材料，一直是 透光保温材料领域的重要课题【3 5 1 。正是由于以上原因，人们近年来才不得不又把研究视线 放到玻璃盖层材料上来。因为，玻璃是透明材物中不易老化的材料。在上世纪8 0 年代和 9 0 年代，建筑行业中，双层玻璃、中空充氩玻璃、l o w e 玻璃、l o w e 中空充氩玻璃相继 研制成功，目前正在推广应用之中，它们的传热系数【3 6 】如表1 2 所列。 表1 - 2 不同类型玻璃的热阻及传热系数值 t a b l e1 - 2t h e r m a lr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ed i f f e r e n tt y p e so f g l a s s 注：( 1 ) 浮法玻璃的传热系数按规范计算获得。( 2 ) 检测标准为g b l 0 2 9 4 和j i s r 3 1 0 6 。 现阶段，l o w e 中空玻璃已有用于花卉温室的实例，取得了一定的成绩，所以还有 进一步发展的趋势。但是，在中空玻璃的研究中，它的传热系数仍然居高不下，因为中空 玻璃夹层中仍有传热介质( 空气) 。所以，将夹层中的空气抽去而形成真空玻璃，应该是 最为理想的做法，这样将会大大减少其传热系数，大大提高保温效果。 真空玻璃两片玻璃中间的真空层消除了传导与对流传热，使房间与外界的热交换降到 极限。因此，真空玻璃有比中空玻璃更优良的性能优点：保温隔热性能、防雾防露、隔音 性能、抗风压性能、超长的耐久性。 ( 1 ) 保温隔热性能 热量传递有3 种方式，分别是传导、对流、辐射。真空玻璃中间的真空层可以说是将 传导和对流的介质完全消除掉了，所以通过传导和对流传递的热量降至很低，以至于可以 忽略不计，而低辐射膜玻璃可减少辐射传热。 ( 2 ) 防雾防露 由于空气中的水分遇普通单片冷玻璃时发生结露，水容易从湿玻璃窗流下，弄脏墙壁 与地面，损伤窗框，还有可能为霉菌提供生存空间，因此单片玻璃已跟不上市场建筑用玻 璃的发展。虽然中空玻璃比单片玻璃有进步，但会经常产生结露或雾气，从而会影响采光 而又无法擦去，以致不能满足生活的要求。现在，真空玻璃出现了，它则很好地解决了以 上问题。它具有较好的隔热效果性能，即使室外温度很低，室内一侧玻璃表面温度却是不 易下降的，也不易形成雾和结露。另外，真空玻璃中间的是真空层，它绝对不会发生玻璃 6 扬州大学硕士学位论文 腔中含有湿气的现象，不会发生中空玻璃那种降温时出现的内结露现象。 ( 3 ) 隔声性能 由于真空玻璃的真空腔特有的性质，声音传播的介质已经残余很少，所以可大幅度降 低对于声音的传播，在整个音域范围都可实现良好的隔音。这样，室内的声音不易传导室 外的同时，室外的声音也同样不易传导室内，隔音效果总的来说要比中空玻璃好很多，极 容易给人们创造一个温馨恬适的生活环境。 ( 4 ) 抗风压性能 真空平板玻璃中的两片玻璃，是通过封边牢固地粘合，支撑物牢固支撑在一起的。这 种玻璃并不输于同等厚度的单片玻璃，因为它们具有相近的刚性，一般来说，真空平板玻 璃的耐风压性能是中空玻璃的1 5 倍左右【3 7 1 。 ( 5 ) 超长的耐久性 真空平板玻璃，是一种新的玻璃深加工产品，在国内外目前仍尚无相应加工制造标准， 更不用说相应的测试方法。它又不同于中空玻璃，不能完全按照中空玻璃相关试验方法进