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钢化玻璃

钢化玻璃 (Tempered glass/Reinforced glass) 表面具有压应力的玻璃。又称强化玻璃。采用钢化方法对玻璃进行增强,1874年始于法国。 [1]

钢化玻璃 (Tempered glass/Reinforced glass) 属于安全玻璃。钢化玻璃其实是一种预应力玻璃,为提高玻璃的强度,通常使用化学或物理的方法,在玻璃表面形成压应力,玻璃承受外力时首先抵消表层应力,从而提高了承载能力,增强玻璃自身抗风压性,寒暑性,冲击性等。注意与玻璃钢区别开来。

安全性

当玻璃受外力破坏时,碎片会成类似蜂窝状的钝角碎小颗粒,不易对人体造成严重的伤害。

高强度

同等厚度的钢化玻璃抗冲击强度是普通玻璃的3~5倍,抗弯强度是普通玻璃的3~5倍。

热稳定性

钢化玻璃具有良好的热稳定性,能承受的温差是普通玻璃的3倍,可承受300℃的温差变化。

优点

第一是强度较之普通玻璃提高数倍,抗弯。

第二是使用安全,其承载能力增大改善了易碎性质,即使钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片,对人体的伤害极大地降低了。钢化玻璃的耐急冷急热性质较之普通玻璃有3~5倍的提高,一般可承受250度以上的温差变化,对防止热炸裂有明显的效果。是安全玻璃中的一种。为保障高层建筑提供合格材料安全性作保障。

缺点

钢化玻璃的缺点:

1 .钢化后的玻璃不能再进行切割,和加工,只能在钢化前就对玻璃进行加工至需要的形状,再进行钢化处理。

2 .钢化玻璃强度虽然比普通玻璃强,但是钢化玻璃有自爆(自己破裂)的可能性,而普通玻璃不存在自爆的可能性。

3 .钢化玻璃的表面会存在凹凸不平的现象(风斑),有轻微的厚度变薄。变薄的原因是因为玻璃在热熔软化后,在经过强风力使其快速冷却,使其玻璃内部晶体间隙变小,压力变大,所以玻璃在钢化后要比在钢化前要薄。一般情况下4~6mm玻璃在钢化后变薄0.2~0.8mm,8~20mm玻璃在钢化后变薄0.9~1.8mm。具体程度要根据设备来决定,这也是钢化玻璃不能做镜面的原因。

4.通过钢化炉(物理钢化)后的建筑用的平板玻璃,一般都会有变形,变形程度由设备与技术人员工艺决定。在一定程度上,影响了装饰效果(特殊需要除外)。

钢化玻璃是将普通退火玻璃切割成要求尺寸,然后加热到接近软化点的700度左右,再进行快速均匀的冷却而得到的(通常5-6MM的玻璃在700度高温下加热240秒左右,降温150秒左右。8-10MM玻璃在700度高温下加热500秒左右,降温300秒左右。总之,根据玻璃厚度不同,选择加热降温的时间也不同)。钢化处理后玻璃表面形成均匀压应力,而内部则形成张应力,使玻璃的抗弯和抗冲击强度得以提高,其强度约是普通退火玻璃的四倍以上。已钢化处理好的钢化玻璃,不能再作任何切割、磨削等加工或受破损,否则就会因破坏均匀压应力平衡而“粉身碎骨”。

1 .钢化玻璃按形状分为平面钢化玻璃和曲面钢化玻璃。

一般平面钢化玻璃厚度有11、12、15、19mm等十二种;曲面钢化玻璃厚度有11、15、19mm等八种,具体加工过后的厚度还是要看各厂家的设备和技术。但曲面(即弯钢化)钢化玻璃对每种厚度都有个最大的弧度限制。即平常所说的R R为半径。

2 .钢化玻璃按其外观分为平钢化和弯钢化 。

3 .钢化玻璃按其平整度分为:优等品,合格品。优等品钢化玻璃用于汽车挡风玻璃;合格品用于建筑装饰。

⒈物理钢化玻璃又称为淬火钢化玻璃。它是将普通平板玻璃在加热炉中加热到接近玻璃的软化温度(600℃)时,通过自身的形变消除内部应力,然后将玻璃移出加热炉,再用多头喷嘴将高压冷空气吹向玻璃的两面,使其迅速且均匀地冷却至室温,即可制得钢化玻璃。这种玻璃处于内部受拉,外部受压的应力状态,一旦局部发生破损,便会发生应力释放,玻璃被破碎成无数小块,这些小的碎片没有尖锐棱角,不易伤人。

⒉化学钢化玻璃是通过改变玻璃的表面的化学组成来提高玻璃的强度,一般是应用离子交换法进行钢化。其方法是将含有碱金属离子的硅酸盐玻璃,浸入到熔融状态的锂(Li+)盐中,使玻璃表层的Na+或K+离子与Li+离子发生交换,表面形成Li+离子交换层,由于Li+的膨胀系数小于Na+、K+离子,从而在冷却过程中造成外层收缩较小而内层收缩较大,当冷却到常温后,玻璃便同样处于内层受拉,外层受压的状态,其效果类似于物理钢化玻璃。

⒈钢化玻璃:钢化度=2~4N/cm,玻璃幕墙钢化玻璃表面应力α≥95Mpa;

⒉半钢化玻璃:钢化度=2N/cm,玻璃幕墙半钢化玻璃表面应力24Mpa≤α≤69Mpa;

⒊超强钢化玻璃:钢化度>4N/cm。

平钢化、弯钢化玻璃属于安全玻璃。广泛应用于高层建筑门窗、玻璃幕墙室内隔断玻璃、采光顶棚、观光电梯通道、家具、玻璃护栏等。通常钢化玻璃可以应用在以下几个行业:

⒈建筑,建筑模板,装饰行业(例:门窗、幕墙、室内装修等)

⒉家具制造行业(玻璃茶几、家具配套等)

⒊家电制造行业(电视机、烤箱、空调、冰箱等产品)

⒋电子、仪表行业(手机、MP3、MP4、钟表等多种数码产品)

⒌汽车制造行业(汽车挡风玻璃等)

⒍日用制品行业(玻璃菜板等)

⒎特种行业(军工用玻璃)

由于钢化玻璃破碎后,碎片会破成均匀的小颗粒并且没有普遍玻璃刀状的尖角,从而被称为安全玻璃而广泛用于汽车、室内装饰之中,以及高楼层对外开启的窗户。

钢化玻璃是将普通退火玻璃先切割成要求尺寸,然后加热到接近的软化点,再进行快速均匀的冷却而得到。钢化处理后玻璃表面形成均匀压应力,而内部则形成张应力,使玻璃的性能得以大幅度提高,抗拉度是后者的3倍以上,抗冲击力是后者的5倍以上。

也正是这个特点,应力特征成为鉴别真假钢化玻璃的重要标志,那就是钢化玻璃可以透过偏振光片在玻璃的边部看到彩色条纹,而在玻璃的面层观察,可以看到黑白相间的斑点。偏振光片可以在照相机镜头或者眼镜中找到,观察时注意光源的调整,这样更容易观察。

每块钢化玻璃上都有一个3C认证标志。

钢化玻璃在无直接机械外力作用下发生的自动性炸裂叫做钢化玻璃的自爆,根据行业经验,普通钢化玻璃的自爆率在1~3‰左右。自爆是钢化玻璃固有的特性之一。

扩大产生自爆的原因很多,简单地归纳以下几种:

①玻璃质量缺陷的影响

A、玻璃中有结石、杂质,气泡:玻璃中有杂质是钢化玻璃的薄弱点,也是应力集中处。特别是结石若处在钢化玻璃的张应力区是导致炸裂的重要因素。

结石存在于玻璃中,与玻璃体有着不同的膨胀系数。玻璃钢化后结石周围裂纹区域的应力集中成倍地增加。当结石膨胀系数小于玻璃,结石周围的切向应力处于受拉状态。伴随结石而存在的裂纹扩展极易发生。

B、玻璃中含有硫化镍结晶物

硫化镍夹杂物一般以结晶的小球体存在,直径在0.12。外表呈金属状,这些杂夹物是Ni3S2,Ni7S6和NiXS,其中X=00。07。只有Ni1XS相是造成钢化玻璃自发炸碎的主要原因。

已知理论上的NIS在379。C时有一相变过程,从高温状态的αNiS六方晶系转变为低温状态βNiS三方晶系过程中,伴随出现2.38-的体积膨胀。这一结构在室温时保存下来。如果以后玻璃受热就可能迅速出现αβ态转变。如果这些杂物在钢化玻璃受张应力的内部,则体积膨胀会引起自发炸裂。如果室温时存在aNIS,经过数年、数月也会慢慢转变到β态,在这一相变过程中体积缓慢增大未必造成内部破裂。

C、玻璃表面因加工过程或操作不当造成有划痕、炸口、深爆边等缺陷,易造成应力集中或导致钢化玻璃自爆。

②钢化玻璃中应力分布不均匀、偏移

玻璃在加热或冷却时沿玻璃厚度方向产生的温度梯度不均匀、不对称。使钢化制品有自爆的趋向,有的在激冷时就产生“风爆”。如果张应力区偏移到制品的某一边或者偏移到表面则钢化玻璃形成自爆。

③钢化程度的影响,实验证明,当钢化程度提高到1级/cm时自爆数达20-~25-。由此可见应力越大钢化程度越高,自爆量也越大。

钢化玻璃的发展最初可以追溯到17世纪中期,有一位叫罗伯特的莱茵国王子,曾经做过了一个有趣的实验,他把一滴熔融的玻璃液放在冰冷的水里,结果制成了一种极坚硬的玻璃。这种高强度的颗粒状玻璃就像水滴,拖有长而弯曲的尾巴,称为“罗伯特王子小粒”。可是当小粒的尾巴受到弯曲而折断时,令人奇怪的是整个小粒因此突然剧烈崩溃,甚至成了细粉。上述作法,很像金属的淬火,而这是玻璃的淬火。这种淬火并没有使玻璃的成分发生任何变化,所以又叫它是物理淬火(physical tempered),因此钢化玻璃称为淬火玻璃(tempered glass)。

玻璃钢化的第一个专利于1874年由法国人获得,钢化方法是将玻璃加热到接近软化温度后,立即投入一温度相对低的液体槽中,使表面应力提高。这种方法即是早期液体钢化方法。德国的Frederick Siemens于1875年获得一项专利,美国马萨诸塞州的Geovge E. Rogens于1876年将钢化方法应用于玻璃酒杯和灯柱。同年,新泽西州的HughO’heill获得了一项专利。

20世纪30年代,法国的圣戈班公司和美国的特立普勒克斯公司,以及英国的皮尔金顿公司都开始生产供给汽车作挡风用的大面积平板钢化玻璃。日本在20世纪30年代也相继进行了钢化玻璃工业生产。从此世界开始了大规模生产钢化玻璃的时代。

1970年以后,英国的Triplex公司用液体介质钢化厚度为0.75~1.5mm的玻璃获得成功,结束了物理钢化不能钢化薄玻璃的历史,这是钢化玻璃技术的一个重大突破。

中国的钢化玻璃历史最初始于1955年,有上海耀华玻璃厂开始试制,1958年秦皇岛市钢化玻璃厂试产成功。1965年秦皇岛耀华玻璃厂开始生产军工用钢化玻璃,20世纪70年代洛阳玻璃厂首家引进了比利时钢化设备。同期沈阳玻璃厂化学钢化玻璃投入生产。

20世纪70年代开始钢化玻璃技术在世界范围内得到了全面的推广和普及,钢化玻璃在汽车、建筑、航空、电子等领域开始使用,尤其在建筑和汽车方面发展最快。

钢化玻璃中应力的分布是钢化玻璃的两个表面为压应力,板芯层处于张应力,在玻璃厚度上应力分布类似抛物线。玻璃厚度的中央是抛物线的顶点,即张应力最大处;两侧接近玻璃两表面处是压应力;零应力面大约位于厚度的1/3处。通过分析钢化急冷的物理过程,可知钢化玻璃表面张力和内部的最大张应力在数值上有粗略的比例关系,即张应力是压应力的1/2~1/3。国内厂家一般将钢化玻璃表面张力设定在100MPa左右,实际情况可能更高一些。钢化玻璃自身的张应力约为32MPa~46MPa,玻璃的抗张强度是59MPa~62MPa,只要硫化镍膨胀产生的张力在30MPa,则足以引发自爆。若降低其表面应力,相应地会降低钢化玻璃本身自有的张应力,从而有助于减少自爆的发生。

美国标准ASTMC1048中规定钢化玻璃的表面应力范围为大于69MPa;半钢化(热增强)玻璃为24MPa~52MPa。幕墙玻璃标准BG17841则规定为半钢化应力范围24<;δ≤69MPa。中国实施的新国家标准GB15763。2-2005《建筑用安全玻璃第2部分:钢化玻璃》要求其表面应力不应小于90MPa。这比老标准中规定的95MPa降低了5MPa,有利于减少自爆。

钢化玻璃的应力不均,会明显增大自爆率,已经到了不容忽视的程度。应力不均引发的自爆有时表现得非常集中,特别是弯钢化玻璃的某具体批次的自爆率会达到令人震惊的严重程度,且可能连续发生自爆。其原因主要是局部应力不均和张力层在厚度方向的偏移,玻璃原片自身质量也有一定的影响。应力不均会大幅降低玻璃的强度,在一定程度上相当于提高了内部的张应力,从而自爆率提高了。如果能使钢化玻璃的应力均匀分布,则可有效降低自爆率。

热浸处理又称均质处理,俗称“引爆”。热浸处理是将钢化玻璃加热到290℃±10℃,并保温一定时间,促使硫化镍在钢化玻璃中快速完成晶相转变,让原本使用后才可能自爆的钢化玻璃人为地提前破碎在工厂的热浸炉中,从而减少安装后使用中的钢化玻璃自爆。该方法一般用热风作为加热的介质,国外称作“Heat Soak Test”,简称HST,直译为热浸处理。

热浸难点。从原理上看,热浸处理既不复杂,也无难度。但实际上达到这一工艺指标非常不易。研究显示,玻璃中硫化镍的具体化学结构式有多种,如Ni7S6、NiS、NiS1.01等,不但各种成分的比例不等,而且可能掺杂其他元素。其相变快慢高度依赖于温度的高低。研究表明,280℃时的相变速率是250℃时的100倍,因此必须确保炉内的各块玻璃经历同样的温度制度。否则一方面温度低的玻璃因保温时间不够,硫化镍不能完全相变,减弱了热浸的功效。另一方面,当玻璃温度太高时,甚至会引起硫化镍逆向相变,造成更大的隐患。这两种情况都会导致热浸处理劳而无功甚至适得其反。热浸炉工作时温度的均匀性是如此的重要,而多数国产热浸炉热浸保温时炉内的温差甚至达到60℃,国外引进炉存在30℃左右的温差也不少见。所以有的钢化玻璃虽经热浸处理,自爆率依然居高不下。

实际上,热浸工艺和设备也一直在不断地改进中。德国标准DIN18516在90年版中规定的保温时间为8小时,而prEN14179-1:2001(E)标准则将保温时间降到了2小时。新标准下热浸工艺的效果十分显著,并且有明确的统计性技术指标:热浸后可降到每400吨玻璃一例自爆。另一方面,热浸炉也在不断地改进设计和结构,加热均匀性也得到了明显提高,基本可以满足热浸工艺的要求。例如南玻集团热浸处理的玻璃,自爆率达到了欧洲新标准的技术指标,在12万平米的广州新机场超大工程中表现极为满意。

尽管热浸处理不能保证绝对不发生自爆,但确实降低了自爆的发生,实实在在地解决了困扰工程各方的自爆问题。所以热浸是世界上一致认可的彻底解决自爆问题的最有效方法。

产品应用集装箱或木箱包装。每块玻璃应用塑料袋或纸包装,玻璃与包装箱之间用不易引起玻璃划伤等外观缺陷的轻软材料填实。具体要求应符合国家有关标准。

包装标志

包装标志应符合国家有关标准的规定,每个包装箱应标明"朝上、轻搬正放、小心破碎、玻璃厚度、等级、厂名或商标"等字样。

运输

产品所用各种类型的运输车辆、搬运规则等应符合国家有关规定。

运输时,木箱不得平放或斜放,长度方向应与输送车辆运动方向相同,应有防雨等措施。

贮存

产品应垂直贮存在干燥的室内。

GB/T 9963-1998“钢化玻璃”

GB15763.2-2005“钢化玻璃”

GB/T 531-92 “硫化橡胶邵尔A型硬度试验方法”

GB 1216-85 “外径千分尺”

GB 4871-1995 “普通平板玻璃”

GB 5137.2-1996 “汽车安全玻璃光学性能试验方法”

GB 11614-89 “浮法玻璃”

JC/T 677-1997 “筑玻璃均布静载模拟风压试验方法”

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