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一種無焊接劑和抽氣嘴的新型真空玻璃

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)投稿 作者:金弼

  建筑物和汽車的玻璃窗的隔熱是一項關系到節能環保的重要課題。目前廣泛采用多種節能玻璃作為窗體透光部分,它們是熱反射玻璃、LOW-E玻璃、中空玻璃、真空玻璃以及其復合產品。真空玻璃的隔熱原理如同保溫瓶,兩者都設有真空空間,而在真空空間里熱量是不能以熱傳導和熱對流模式通過的,只能以輻射模式通過。所以真空玻璃的隔熱節能效果遠遠優于普通玻璃,也普遍優于上述其它節能玻璃。

  然而傳統真空玻璃的普及率非常低,遠遠不及熱反射玻璃、低輻射玻璃、中空玻璃,原因在于其結構復雜,導致生產成本居高不下,產品可靠性和適應性差等諸多問題。一種結構上大大簡化了的新型真空玻璃,也就是無焊接劑、無抽氣嘴的真空玻璃有望解決傳統真空玻璃的上述問題。下面從結構入手對比和分析兩種真空玻璃。

  如圖1所示,傳統真空玻璃由以下四部分材料構成,間隔約0.3毫米的上下兩片平板玻璃、該兩片玻璃中間布置的支撐柱、在該兩片玻璃四周邊熔接的低熔點玻璃、其中一片玻璃上熔接的抽氣嘴(也叫抽空管、貫通孔)。真空空間是由兩片間隔相對的平板玻璃以及密封其四周邊的低熔點玻璃構成;支撐柱的作用是抵住外界大氣壓對玻璃向內的壓力,以防兩片玻璃彎曲變形而相互接觸;抽氣嘴是用以抽出兩片玻璃之間的空氣,達到真空后該嘴熔接密封。

傳統真空玻璃結構

圖1 傳統真空玻璃結構

  如圖2所示,新型真空玻璃僅僅由兩片平板玻璃構成,沒有任何焊接劑,沒有抽氣嘴,也沒有外置的支撐柱。新型真空玻璃的真空空間不是用多種材料圍起來的,而是在玻璃上“挖出來”的,即在一片玻璃的周邊以外的區域“挖出來”一些凹槽,然后兩片玻璃在真空中通過化學鍵合形成一體,這樣處于內部的凹槽就變成了真空空間。

新型真空玻璃結構

圖2 新型真空玻璃結構

  從以上對比看出,傳統真空玻璃是四種不同材料粘接和疊加在一起構成的,而新型真空玻璃是單一的平板玻璃通過“挖凹槽”和化學鍵合構成的,無論材料數量還是幾何結構后者比前者簡單很多。下面進一步分析一下這種結構上的差異導致的不同結果。

  首先,傳統真空玻璃的生產至少要完成以下工序,支撐柱的布置、四周邊的熔接、抽氣嘴的熔接、抽真空及封口,每一道工序都包含著比較復雜的流程,工序間的節拍差異較大,難以實現傳送中的自動化生產,這些最終導致生產成本居高不下;新型真空玻璃的生產只需要兩道工序,上玻璃上凹槽加工、上下玻璃在真空中鍵合,其中凹槽的加工可以借鑒目前在顯示器領域里廣泛采用的氫氟酸蝕刻線,容易做到流水線自動生產,上下玻璃熱壓鍵合可借鑒真空鍍膜線,也容易做到流水線自動生產,由于工序少并且容易實現自動化生產,有望顯著降低生產成本。

  其次,傳統真空玻璃的生產工藝中的熔接可能給產品可靠性帶來諸多隱患,比如在高溫熔接過程中低熔點玻璃焊料被熔化成液態,而平板玻璃保持固體狀態,由于兩種材料的物理性質和化學成份的差異熔接處留下很大應力,這是安裝和使用中導致破損的重要因素,抽氣嘴的存在是另一種破損的重要隱患。

  在新型真空玻璃中,密封中不采用熔接,而采用化學鍵合,也就是通過真空中的熱壓把上下兩片玻璃表面的原子相互鍵合,使兩片玻璃變成一片玻璃,不僅留下的應力相對很小,而且消除了礙事的抽氣嘴,外形上比較接近同樣厚度的單片玻璃,大大降低了安裝要求。

  生產新型真空玻璃需要解決兩大技術問題,一個是凹槽的加工技術,另一個是化學鍵合技術,下面簡要地探討一下這兩個技術。凹槽的深度是0.1毫米至0.3毫米,而玻璃的常用厚度是6毫米,此時凹槽的深度僅為玻璃厚度的1/60到1/20,對玻璃強度的影響不大,凹槽的形狀可以是很多樣;凹槽的加工采用濕法刻蝕及技術,比如氫氟酸蝕刻技術,這種技術在顯示器領域已經比較成熟,具體地說采用絲網印刷等方式在上玻璃上形成耐酸油墨圖案,經烘干堅膜后形成牢固的抗蝕劑層,接著上氫氟酸蝕刻線腐蝕幾十分鐘,高級的蝕刻線是密閉通道內噴淋的流水自動化生產線,效率很高。化學鍵合玻璃是關鍵的新型技術,其工藝包含很多技術訣竅,總的來說要創造條件使上下玻璃表面的原子相互充分鍵合,而這種鍵合實質是上下玻璃表面的化學反應,也就是一種固體對固體的特殊化學反應。原則上講,上下玻璃表面的所有原子都彼此鍵合了,那么兩片玻璃的界面將消失,變成一塊完整的玻璃,事實上很難做到這種境界,但在一些條件下可以做到接近這種境界。本發明者在一些實驗條件下做到了這樣一種狀態,兩塊鍵合的玻璃可以像一片玻璃那樣輕松地用金剛石玻璃刀切斷,端面上基本無法用裸眼觀察到兩玻璃的界面。如同其它類型的化學反應,溫度是一個重要條件,除此之外玻璃表面粗糙度、表面清潔度和施加的壓力顯得特別重要,這是固體對固體的反應特殊情況所決定的。我們知道A物質和B物質形成化學鍵必須要兩種物質的原子相互靠近到非常近的距離,也就是零點幾個納米的距離,比如熔融的焊錫液體對金屬銅固體之間的焊接反應中液體完全浸潤固體表面,相互靠近的距離是不成問題,但對兩個固體物質相互靠近就很成問題,由于固體的剛性很難實現表面的大量原子同時接近到零點幾個納米的距離,在沒有顯著的塑性變形的情況下僅有極少比例的表面原子接近到納米距離,不足以形成穩固的化學結合。我們設想一下下列情形,兩個固體物質的表面接近完美的幾何平面,所有的表面原子都排列在同一個平面上,并且其表面沒有吸附任何氣體分子,當它們平行地相互靠近時可以同時接近到納米距離,只要溫度條件滿足就可以形成強大的化學鍵。由此看出,當玻璃非常平整,表面粗糙度非常低,表面沒有吸附外來分子,那么其情形和上面的設想接近,為大量的表面原子的相互鍵合創造了條件,事實上新鮮且干凈的浮法玻璃在某些工藝條件下就接近這種情形,這是因為在熔融的錫液上形成的浮法玻璃具有先天性的無與倫比的平整表面。施加壓力可以改善表面平整度,有利于鍵合條件。

  以上是中國發明專利ZL201510747079.9相關的新型真空玻璃的介紹,發明人熱情歡迎企業和研究機構的專家共同研究和開發。

  發明人金弼,手機13823380525,郵箱[email protected]

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