真空平板玻璃封邊殘余應(yīng)力場(chǎng)分析

真空平板玻璃封邊殘余應(yīng)力場(chǎng)分析

真空平板玻璃制造技術(shù)整合了真空、材料、機(jī)械和自動(dòng)控制等多項(xiàng)技術(shù)。屬于高新技術(shù)范疇，是國內(nèi)外玻璃加工技術(shù)的研究熱點(diǎn)。真空平板玻璃封邊一般采用熔融封接工藝,它所需要的低熔點(diǎn)無機(jī)玻璃基焊粉需要通過大量的試驗(yàn)研究工作才能得到與基材(被封接玻璃)相同或極相近的線膨脹系數(shù)的焊粉。由于國外技術(shù)保密和封鎖的原因,這種焊粉不可能從澳大利亞和日本市場(chǎng)直接購買,我國用于電視機(jī)熒光屏的低熔點(diǎn)封接焊粉,實(shí)踐上已證明不適合普通玻璃封接,其原因是其線膨脹系數(shù)相差甚大,而且由于玻璃制造商的不同,玻璃線膨脹系數(shù)有很大的差異,這就需要為每一生產(chǎn)廠家的基材玻璃研究相應(yīng)的焊料,因而會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi),其中關(guān)鍵的問題是搞不清基材玻璃與焊料的線膨脹系數(shù)究竟多大的差值才不會(huì)超過玻璃允許的殘余應(yīng)力值,同時(shí)也尚未見到國內(nèi)外真空玻璃殘余應(yīng)力研究資料和相關(guān)的報(bào)導(dǎo),因此對(duì)這項(xiàng)工作開展研究,為真空玻璃的科研和深層次的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。1理論分析1.1真空平板玻璃板的制備真空平板玻璃是將兩片玻璃板洗凈,在一片玻璃板上以10～25mm的間隔放置高度為0.1～0.5mm,直徑為0.3～1.0mm的圓柱狀支撐物或?qū)挾葹?.4～0.6mm的線狀或格子狀支撐物。然后再放上另一片玻璃板。將兩片玻璃板的四周涂上融合玻璃,在450℃中加熱15～60min,在去除玻璃表面附著的水分及有機(jī)物的同時(shí)由融合玻璃將兩片玻璃板的四周封邊,形成一個(gè)整體,真空平板玻璃的結(jié)構(gòu)如圖1所示。真空平板玻璃的封邊一般采用熔接法。熔接法是將低熔點(diǎn)玻璃粉放在兩塊玻璃板的間隙中,在400℃下熔融與玻璃熔粘在一起,起到密封作用。真空平板玻璃在使用時(shí)兩個(gè)外表面的溫度不同,有時(shí)相差很大,因此兩塊玻璃板熱膨脹也不同,兩個(gè)表面產(chǎn)生膨脹差時(shí)引起應(yīng)力,一般情況下這種應(yīng)力在真空平板玻璃使用中能夠承受,不會(huì)造成真空玻璃的失效。真空平板玻璃的支撐一般采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),由于真空腔內(nèi)的真空壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)差而在兩片玻璃中形成支撐應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。1.2混和率模型的建立為了簡化數(shù)值計(jì)算模型,更好地反映無機(jī)玻璃焊粉中各材料性能對(duì)熱殘余應(yīng)力的影響,我們?nèi)〔牧现苽溥^程中的溫度差為△T,高溫時(shí)材料性能的變化(如蠕變)忽略不計(jì),各梯度層之間界面結(jié)合良好,材料的熱物性參數(shù)與溫度變化無關(guān)并且為各向同性,融合層的應(yīng)力不超過屈服應(yīng)力,且不考慮塑性應(yīng)變。在基于熱彈性的本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上,可采用如下方程得到在每一個(gè)單元中的應(yīng)力解。根據(jù)平衡條件得:n∑i=lFi=0(1)∑i=lnFi=0(1)界面理想結(jié)合,由應(yīng)變?cè)诮缑嫦嗳莸?εi=εi+l(2)εi=εi+l(2)而εi=α△Τi+Fi/(Eiti)+ti/(2Ri)(3)其中,α為材料的熱膨脹系數(shù);△T為溫度差;Ei、εi、ti分別為第i層的楊氏彈性模量、應(yīng)變和厚度;Ri為曲率半徑,在這里我們假設(shè)Ri>ti。彎矩可由下式得出:n∑i=lΜi+n∑i=lFi(i∑j=ltj-12ti)=0(4)Μi=EiEi/R(5)式中,Mi為彎矩;I為慣性矩。由于融合層采用梯度非均勻的材料,一般都由兩種或兩種以上的材料復(fù)合而成,為了得到復(fù)合材料的熱物性參數(shù),人們提出了多種細(xì)觀力學(xué)模型,例如基于Voigt的等應(yīng)變假設(shè)和Reuss的等應(yīng)力假設(shè)。但是,它們都沒有考慮到組分材料之間的相互作用,由于它們比較簡單,使用方便,因此在功能梯度材料中應(yīng)用比較廣,但它們給出的結(jié)果是粗糙的。在這里,我們采用由Tamura等提出的混和率模型(TTO模型)。其單軸應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)為:σ=V1σ1+V2σ2(6)ε=V1ε1+V2ε2(7)其中,σ、ε分別為功能梯度材料的等效應(yīng)力和應(yīng)變;V為體積含量;σi、εi分別為各組分材料的應(yīng)力和應(yīng)變。TTO模型定義了一個(gè)參數(shù)q來描述應(yīng)力和應(yīng)變的比例關(guān)系:q=σ1-σ2[ε1-ε2]?0＜q＜∞(8)根據(jù)適當(dāng)?shù)耐茖?dǎo)可以得到等效彈性模量E和泊松比υ。E=[V2E2q+E1q+E2+(1-V2)E1]/[V2q+E1q+E2+(1-V2)](9)υ=V1υ1+V2υ2(10)在其與玻璃接觸界面距離為z處,融合層相的體積百分比VA為:VA=(ztg)n(11)其中,tg為梯度融合層的厚度;n為控制梯度成分分布的參數(shù)。1.3單元網(wǎng)格劃分采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析。將x軸置于玻璃與融合層的交界面處,y軸正向?yàn)槿诤蠈友睾穸鹊纳L方向。選用4節(jié)點(diǎn)四邊形單元,假設(shè)模型在z方向的尺寸與玻璃厚度相比大得多,所以視為“平面應(yīng)變問題”處理,將單元的特性設(shè)為“plainstrain”,在邊界和交界面處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分,如圖3(b)所示。采用以下假設(shè):①材料為彈性的和各向同性的;②交界面為理想的完全粘結(jié)的結(jié)合方式;③把融合完畢時(shí)的溫度400℃作為無應(yīng)力時(shí)的參考溫度,融合層均勻冷卻到室溫25℃。邊界條件為:由于玻璃焊粉固定在兩玻璃夾層中,所以對(duì)兩玻璃夾層上、下邊各節(jié)點(diǎn)的y方向進(jìn)行了位移約束,為了消除剛體位移。由于真空平板玻璃為上下、左右軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),故選取四分之一結(jié)構(gòu)建模即可。2機(jī)械殘余應(yīng)力真空玻璃的封邊殘余應(yīng)力的試驗(yàn)采用如下方法:先將應(yīng)變片預(yù)埋在單片原材料玻璃被測(cè)表面,預(yù)埋方法是用比封邊焊料的熔化溫度高80～100℃的高溫玻璃粉焊料將應(yīng)變片烤結(jié)的被測(cè)表面,烤結(jié)時(shí)將應(yīng)變片的兩端接線口留出,然后將烤結(jié)有應(yīng)變片的玻璃兩兩組合加工成真空平板玻璃,最后將應(yīng)變片接線口引出測(cè)量其電阻值并與原始電阻值比較。圖4為測(cè)試示意圖。根據(jù)圖4中的試驗(yàn)方案,測(cè)得封邊殘余應(yīng)力內(nèi)外溫差的關(guān)系,如圖5所示。從圖5中可以看出,隨著內(nèi)外溫差值的增加,封邊殘余應(yīng)力的值不斷升高。圖6所示真空平板玻璃封邊殘余應(yīng)力與總應(yīng)力的關(guān)系。從圖6中可以看出,封邊殘余應(yīng)力在總應(yīng)力中占較大的比重,總應(yīng)力隨著殘余應(yīng)力的增大而相應(yīng)的增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到真空平板玻璃封邊殘余應(yīng)力主要是熱殘余應(yīng)力,導(dǎo)致其產(chǎn)生的原因主要有以下兩個(gè)方面:①任何材料從高溫冷卻下來時(shí),在材料表面和內(nèi)部散熱速度不一致,導(dǎo)致在材料內(nèi)部形成一個(gè)溫度梯度。由于封邊無機(jī)玻璃焊粉的導(dǎo)熱系數(shù)較小,是熱的不良導(dǎo)體,所以這種溫度梯度就更大。由于在不同溫度時(shí),焊粉的熱膨脹變形不一樣,肯定有不同的屈服行為,使得焊粉中各部分有不同的塑性變形行為,從而導(dǎo)致封邊處的熱殘余應(yīng)力,一般稱之為熱梯度殘余應(yīng)力;②低熔點(diǎn)無機(jī)玻璃焊粉是一種復(fù)合材料,其中各材料的熱膨脹系數(shù)不相同,由于這種熱膨脹系數(shù)的差異,當(dāng)融合層從高溫冷卻下來時(shí),各材料的變形情況就不一致,從而導(dǎo)致封邊處的熱殘余應(yīng)力,一般稱之為CTE殘余應(yīng)力,也可稱為熱不配匹殘余應(yīng)力。研究表明,即使熱膨脹系數(shù)有較小的差異也會(huì)導(dǎo)致較大的CTE殘余應(yīng)力。還有一種熱殘余應(yīng)力是當(dāng)從高溫冷卻下來時(shí),材料中常常會(huì)發(fā)生相變。通常,相變過程總是伴隨有體積變化,無論相變部分的體積是膨脹還是收縮,都會(huì)在相變部分和未相變部分之間產(chǎn)生應(yīng)力,從而導(dǎo)致材料中的熱殘余應(yīng)力,一般稱之為相變余應(yīng)力。但是經(jīng)對(duì)真空平板玻璃的研究發(fā)現(xiàn),其在從燒成溫度冷卻到室溫的過程中沒有相的轉(zhuǎn)變,所以封邊處不存在相變殘余應(yīng)力。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于要對(duì)真空平板玻璃進(jìn)行打磨、拋光,所以機(jī)械殘余應(yīng)力的引入是在所難免的。但是與這種殘余應(yīng)力相比,我們更關(guān)心真空平板玻璃中的熱殘余應(yīng)力,所以在我們的研究中,盡可能地不引人機(jī)械殘余應(yīng)力,比如在制備試樣的過程中,采用平整度較好的玻璃來制備樣品或在制備樣品之前對(duì)試樣進(jìn)行打磨和拋光,達(dá)到封邊殘余應(yīng)力測(cè)試對(duì)試樣表面平整度的要求。3封邊殘余應(yīng)力(1)利用有限元方法,對(duì)含梯度融合層進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,