真空玻璃的使用壽命

2013-04-22 董鏞 沈陽真空技術(shù)研究所

  真空玻璃主要用作建筑物及工業(yè)產(chǎn)品(如冰柜門、車船窗等)的外圍護材料,在其長達數(shù)十年的服役期間要經(jīng)受日光照射、高低溫變化的反復(fù)作用,在此期間能否穩(wěn)定地保持其良好的性能是真空玻璃做為工業(yè)產(chǎn)品能否生存發(fā)展的關(guān)鍵。

  所謂“真空玻璃使用壽命”是指真空玻璃隔層內(nèi)的工作真空度(≤0.1 Pa)所能保持的時間。導(dǎo)致工作真空度下降的主要因素有:

1、滲漏

  真空玻璃周邊及抽氣管均采用顯象管工業(yè)大量使用的低熔點玻璃粉熔封,半個多世紀的應(yīng)用實踐證明(1939 年黑白電視問世,1953年彩電問世):這種密封材料足以滿足顯象管等各種電真空器件的密封要求(電真空器件的允許漏率≤10- 12 Pa·m3/s)。

2、滲透

  氣體對玻璃的滲透以分子態(tài)進行,分子直徑逾小逾易滲透。在各種氣體中,He 氣對玻璃的滲透率最高, 盡管空氣中He 的分壓只有0.53 Pa,對玻璃的滲透主要還應(yīng)考慮He。滲透系數(shù)Ks 是表征氣體滲透性能的物理參數(shù),玻璃越硬Ks 越大,反之Ks 越小。改變玻璃成份,Ks 最多可變化6 個數(shù)量級。浮法玻璃為鈉鈣玻璃,其中堿性氧化物(Na2O,K2O,CaO 等),阻塞了He 分子的滲透孔道,使He 氣的Ks 值大大降低。對20℃, 鈉鈣玻璃, 外推求得He 的Ks 值約為7.5×10-13cm3·Pa/cm2·s·Pa·mm-1 量級。對1 m2 真空玻璃,He 的滲透率按下式估算:

Qs = Ks·(P2- P1)·2×A/d (8)

  式中Ks為He 對鈉鈣玻璃的滲透系數(shù)cm3·Pa/cm2·s·Pa·mm-1;(P2- P1)———玻璃內(nèi)外He 壓差,Pa;A———玻璃面積,cm2;d ———玻璃壁厚,mm

  Qs=7.5×10- 13×0.53×2×100×100/(4+4)=1×10- 9 Pa·cm3/s = 1×10- 15 Pa·m3/s

  由上述結(jié)果可見:Qs<< 電真空器件允許漏率10- 12 Pa·m3/s,實不足慮。

3、玻璃內(nèi)表面放氣

  影響真空玻璃壽命的主要因素玻璃表面和體內(nèi)含有大量氣體,主要是H2O(占90%以上)、及少量CO2、O2 和SO2,這些氣體在玻璃熔煉或熱加工期間溶入或吸附于表面,約有102 Pa·L/cm3 之多。在溫度、光照等外部條件作用下,這些氣體可從玻璃表面或表層解吸,或擴散進入真空層內(nèi)。

  加熱、烘烤是電真空行業(yè)對玻璃除氣的主要方法,歷經(jīng)百年,行之有效。玻璃烘烤放氣源自三個層次: 表面、表層及內(nèi)部, 對鈉鈣玻璃,經(jīng)350℃烘烤, 其放氣成分中H2o 占75.3%,CO2 占22%,CO 占0.4%。其中58%為表面放氣,31%為表層放氣,內(nèi)部放氣只占11%。

  為使玻璃除氣徹底,>350℃的高溫烘烤是絕對必須的, 對真空玻璃內(nèi)部放氣規(guī)律的最新研究也證實:這一措施對真空玻璃制造同樣有效。圖6 為兩塊真空玻璃樣品在熱老化實驗中內(nèi)部壓強變化對比。具體實驗條件及結(jié)果為:

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  結(jié)構(gòu)相同的另外一組樣片在室外進行了200 天左右日光輻照老化試驗, 結(jié)論同樣是后者(350℃)優(yōu)于前者(150℃),參見圖7。

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  Low- E 膜層雖然只有幾個微米的厚度, 但在抑制輻射傳熱上至關(guān)重要,是真空玻璃的重要組成部分,測試表明:在真空中400℃的高溫烘烤可有效清除(SnO2:F)低輻射膜表面的吸附碳,形成穩(wěn)定的耐紫外線(UV)輻照的低輻射膜層,這一點對長期保持真空玻璃的良好性能至關(guān)重要。

  國內(nèi)某公司2000 年前后曾對一批真空玻璃樣品進行了為期數(shù)百天的日曬老化試驗,其結(jié)果部分顯示于圖8 中。

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  ※ ①②號樣品的結(jié)構(gòu)為:(3+V+3);⑤⑥⑦號樣品的結(jié)構(gòu)為(4+V+4);⑧⑨號樣品的結(jié)構(gòu)為:(4L+V+3);③④⑩號樣品的結(jié)構(gòu)(4L+V+4);L- 為在線Low- E 鍍膜,發(fā)射率~0.2。由圖8 可見:1)經(jīng)400℃烘烤制成的真空玻璃,其傳熱系數(shù)U 明顯低于200℃烘烤制成的同結(jié)構(gòu)真空玻璃;2)比較高、低溫下制成的真空玻璃老化后的U 值升高曲線,可見后者的斜率要大于前者,再次證明低溫烘烤的真空玻璃除氣不徹底,影響真空玻璃的遠期性能。

4、吸氣劑

  為確保真空玻璃使用壽命≥20年, 除采用上述措施外近年來還在真空玻璃中裝入長效吸氣劑, 進一步提高真空玻璃的真空度。以顯像管為代表的電真空器件的應(yīng)用實踐可以佐證: 真空玻璃是可靠長壽命的靜態(tài)真空器件。