真空平板玻璃封边残余应力场分析

真空平板玻璃封边残余应力场分析

真空平板玻璃制造技术整合了真空、材料、机械和自动控制等多项技术。属于高新技术范畴，是国内外玻璃加工技术的研究热点。真空平板玻璃封边一般采用熔融封接工艺,它所需要的低熔点无机玻璃基焊粉需要通过大量的试验研究工作才能得到与基材(被封接玻璃)相同或极相近的线膨胀系数的焊粉。由于国外技术保密和封锁的原因,这种焊粉不可能从澳大利亚和日本市场直接购买,我国用于电视机荧光屏的低熔点封接焊粉,实践上已证明不适合普通玻璃封接,其原因是其线膨胀系数相差甚大,而且由于玻璃制造商的不同,玻璃线膨胀系数有很大的差异,这就需要为每一生产厂家的基材玻璃研究相应的焊料,因而会造成很大的经济浪费,其中关键的问题是搞不清基材玻璃与焊料的线膨胀系数究竟多大的差值才不会超过玻璃允许的残余应力值,同时也尚未见到国内外真空玻璃残余应力研究资料和相关的报导,因此对这项工作开展研究,为真空玻璃的科研和深层次的开发提供理论基础。1理论分析1.1真空平板玻璃板的制备真空平板玻璃是将两片玻璃板洗净,在一片玻璃板上以10～25mm的间隔放置高度为0.1～0.5mm,直径为0.3～1.0mm的圆柱状支撑物或宽度为0.4～0.6mm的线状或格子状支撑物。然后再放上另一片玻璃板。将两片玻璃板的四周涂上融合玻璃,在450℃中加热15～60min,在去除玻璃表面附着的水分及有机物的同时由融合玻璃将两片玻璃板的四周封边,形成一个整体,真空平板玻璃的结构如图1所示。真空平板玻璃的封边一般采用熔接法。熔接法是将低熔点玻璃粉放在两块玻璃板的间隙中,在400℃下熔融与玻璃熔粘在一起,起到密封作用。真空平板玻璃在使用时两个外表面的温度不同,有时相差很大,因此两块玻璃板热膨胀也不同,两个表面产生膨胀差时引起应力,一般情况下这种应力在真空平板玻璃使用中能够承受,不会造成真空玻璃的失效。真空平板玻璃的支撑一般采用点阵结构,由于真空腔内的真空压强和大气压强差而在两片玻璃中形成支撑应力。其结构如图2所示。1.2混和率模型的建立为了简化数值计算模型,更好地反映无机玻璃焊粉中各材料性能对热残余应力的影响,我们取材料制备过程中的温度差为△T,高温时材料性能的变化(如蠕变)忽略不计,各梯度层之间界面结合良好,材料的热物性参数与温度变化无关并且为各向同性,融合层的应力不超过屈服应力,且不考虑塑性应变。在基于热弹性的本构方程的基础上,可采用如下方程得到在每一个单元中的应力解。根据平衡条件得:n∑i=lFi=0(1)∑i=lnFi=0(1)界面理想结合,由应变在界面相容得:εi=εi+l(2)εi=εi+l(2)而εi=α△Τi+Fi/(Eiti)+ti/(2Ri)(3)其中,α为材料的热膨胀系数;△T为温度差;Ei、εi、ti分别为第i层的杨氏弹性模量、应变和厚度;Ri为曲率半径,在这里我们假设Ri>ti。弯矩可由下式得出:n∑i=lΜi+n∑i=lFi(i∑j=ltj-12ti)=0(4)Μi=EiEi/R(5)式中,Mi为弯矩;I为惯性矩。由于融合层采用梯度非均匀的材料,一般都由两种或两种以上的材料复合而成,为了得到复合材料的热物性参数,人们提出了多种细观力学模型,例如基于Voigt的等应变假设和Reuss的等应力假设。但是,它们都没有考虑到组分材料之间的相互作用,由于它们比较简单,使用方便,因此在功能梯度材料中应用比较广,但它们给出的结果是粗糙的。在这里,我们采用由Tamura等提出的混和率模型(TTO模型)。其单轴应力和应变状态为:σ=V1σ1+V2σ2(6)ε=V1ε1+V2ε2(7)其中,σ、ε分别为功能梯度材料的等效应力和应变;V为体积含量;σi、εi分别为各组分材料的应力和应变。TTO模型定义了一个参数q来描述应力和应变的比例关系:q=σ1-σ2[ε1-ε2]‚0＜q＜∞(8)根据适当的推导可以得到等效弹性模量E和泊松比υ。E=[V2E2q+E1q+E2+(1-V2)E1]/[V2q+E1q+E2+(1-V2)](9)υ=V1υ1+V2υ2(10)在其与玻璃接触界面距离为z处,融合层相的体积百分比VA为:VA=(ztg)n(11)其中,tg为梯度融合层的厚度;n为控制梯度成分分布的参数。1.3单元网格划分采用有限元分析软件ANSYS进行分析。将x轴置于玻璃与融合层的交界面处,y轴正向为融合层沿厚度的生长方向。选用4节点四边形单元,假设模型在z方向的尺寸与玻璃厚度相比大得多,所以视为“平面应变问题”处理,将单元的特性设为“plainstrain”,在边界和交界面处进行了网格细分,如图3(b)所示。采用以下假设:①材料为弹性的和各向同性的;②交界面为理想的完全粘结的结合方式;③把融合完毕时的温度400℃作为无应力时的参考温度,融合层均匀冷却到室温25℃。边界条件为:由于玻璃焊粉固定在两玻璃夹层中,所以对两玻璃夹层上、下边各节点的y方向进行了位移约束,为了消除刚体位移。由于真空平板玻璃为上下、左右轴对称结构,故选取四分之一结构建模即可。2机械残余应力真空玻璃的封边残余应力的试验采用如下方法:先将应变片预埋在单片原材料玻璃被测表面,预埋方法是用比封边焊料的熔化温度高80～100℃的高温玻璃粉焊料将应变片烤结的被测表面,烤结时将应变片的两端接线口留出,然后将烤结有应变片的玻璃两两组合加工成真空平板玻璃,最后将应变片接线口引出测量其电阻值并与原始电阻值比较。图4为测试示意图。根据图4中的试验方案,测得封边残余应力内外温差的关系,如图5所示。从图5中可以看出,随着内外温差值的增加,封边残余应力的值不断升高。图6所示真空平板玻璃封边残余应力与总应力的关系。从图6中可以看出,封边残余应力在总应力中占较大的比重,总应力随着残余应力的增大而相应的增大。根据试验结果得到真空平板玻璃封边残余应力主要是热残余应力,导致其产生的原因主要有以下两个方面:①任何材料从高温冷却下来时,在材料表面和内部散热速度不一致,导致在材料内部形成一个温度梯度。由于封边无机玻璃焊粉的导热系数较小,是热的不良导体,所以这种温度梯度就更大。由于在不同温度时,焊粉的热膨胀变形不一样,肯定有不同的屈服行为,使得焊粉中各部分有不同的塑性变形行为,从而导致封边处的热残余应力,一般称之为热梯度残余应力;②低熔点无机玻璃焊粉是一种复合材料,其中各材料的热膨胀系数不相同,由于这种热膨胀系数的差异,当融合层从高温冷却下来时,各材料的变形情况就不一致,从而导致封边处的热残余应力,一般称之为CTE残余应力,也可称为热不配匹残余应力。研究表明,即使热膨胀系数有较小的差异也会导致较大的CTE残余应力。还有一种热残余应力是当从高温冷却下来时,材料中常常会发生相变。通常,相变过程总是伴随有体积变化,无论相变部分的体积是膨胀还是收缩,都会在相变部分和未相变部分之间产生应力,从而导致材料中的热残余应力,一般称之为相变余应力。但是经对真空平板玻璃的研究发现,其在从烧成温度冷却到室温的过程中没有相的转变,所以封边处不存在相变残余应力。在实际生产过程中,由于要对真空平板玻璃进行打磨、抛光,所以机械残余应力的引入是在所难免的。但是与这种残余应力相比,我们更关心真空平板玻璃中的热残余应力,所以在我们的研究中,尽可能地不引人机械残余应力,比如在制备试样的过程中,采用平整度较好的玻璃来制备样品或在制备样品之前对试样进行打磨和抛光,达到封边残余应力测试对试样表面平整度的要求。3封边残余应力(1)利用有限元方法,对含梯度融合层进行了数值计算,