玻璃之家讯：平 板 玻 璃 一 般 以 表 面 压 应 力 大 小 的 不 同 分 为 钢 化 玻 璃 、 半 钢 化 玻 璃 及 退 火 玻 璃 。 根 据 美 国 ASTM C1048-1997b 标 准 规 定 ， 各 种 玻 璃 的 表 面 压 应 力 范 围 为 ： 钢 化 玻 璃 >69MPa (10,000psi) ， 半 钢 化 玻 璃 为 ： 24MPa (3500psi) ~ 51MPa (7500psi). 我 国 新近 出 台 的<<幕 墙 用 钢 化 玻 璃 与 半 钢 化 玻 璃 >>国 家 标 准 也 对 应 力 作 了 明 确 要 求 , 半 钢 化 玻 璃为24-69 MPa, 钢 化 玻 璃为95MPa 以上.
长 期 以 来 ， 国 内 厂 家 由 于 长 期 缺 乏 检 测 手 段 期 对 国 际 技 术 的 了 解 ， 仅 依 赖 大 量 的 抗 冲 击 试 验 及 碎 片 试 验 来 确 定 钢 化 生 产 工 艺 参 数 及 对 玻 璃 质 量 的 控 制 。 不 仅 成 本 高 昂 ， 而 且 费 时 费 力 ， 反 馈 慢 ， 可 操 作 性 极 差 ， 检 验 工 作 往 往 流 于 形 式 ， 无 法 真 正 将 批 量 产 品 质 量 置 于 有 效 控 制 之 下 。 对 于 半 钢 化 玻 璃 而 言 ， 抗 冲 击 及 碎 片 试 验 无 任 何 作 用 。 以 低 成 本 快 速 方 便 地 实 现 全 面 的 质 量 控 制 ， 必 须 采 用 应 力 检 测 方 法 来 稳 定 生 产 及 产 品 质 量 。
表 面 应 力 无 损 检 测 技 术 有 利 于 稳 定 钢 化 玻 璃 的 生 产 及 质 量 ， 更 重 要 的 是 为 检 验 半 钢 化 玻 璃 质 量 提 供 了 切 实 可 行 的 测 试 手 段 。
1. 玻 璃 应 力 检 测 原 理
玻 璃 经 热 处 理 冷 却 后 ， 表 面 通 常 形 成 一 定 的 压 力 ， 其 方 向 平 行 于 玻 璃 表 面 。 因 玻 璃 表 面 压 应 力 与 内 部 张 应 力 相 互 平 衡 、 及 应 力 的 各 向 同 性 ， 用 垂 直 玻 璃 平 面 的 透 射 光 是 无 法 测 应 力 的 。
当 偏 振 光 通 过 有 应 力 的 玻 璃 时 ， 形 成 二 束 相 互 垂 直 且 传 播 速 度 不 同 的 光 束 ， 此 现 象 即 通 常 所 称 的 “ 双 折 射 ” ， 双 折 射 率 为 ：Dn =na-nb , Dn与 玻 璃 中 的 应 力 s成 正 比 ， 即Dn=C*s。假 设 光 线 在 玻 璃 中 的 传 播 距 离 为 t， 则 两 光 束 的 光 程 差 R=Dn*t， 即 应 力 可 由 如 下 公 式 算 出 ：
s =Dn/C 或 s =R/t*c
其 中 C 称 为 应 力 光 学 常 数 ， 对 于 浮 法 玻 璃 ， C=2.65。
目 前 测 定 表 面 应 力 的 方 法 可 归 纳 为 二 种： 微 分 表 面 折 射 法 （Differential Surface Refractometry, 简 称 DSR）和 表 面 掠 角 偏 光 法 （Grazing Angle Surface Polarimetry, 简 称 GASP）
2. DSR表 面 应 力 仪
此 种 仪 器 由 美 国 GAERTNER SCIENTIFIC公 司 研 制 并 生 产 ， 中 国 建 材 院 也 研 制 成 功 了 类 似 的 仪 器 。 DSR表 面 应 力 仪 一 般 由 光 源 、 棱 镜 、 滤 镜 、 望 远 物 镜 、 测 微 目 镜 等 部 分 组 成（图一） 。
DSR的 工 作 原 理 见 图 二 。 当 一 定 入 射 角 的 光 线 到 达 玻 璃 与 棱 镜 的 交 界 面 时 ， 由 于 双 折 射 率 的 不 同 ， 光 束 会 分 成 以 不 同 临 界 角 a，b反 射 返 回 棱 镜 的 两 路光 束 ， 通 过 用 测 微 目 镜 测 定 两 光 束 之 间 的 距 离 ， 即 可 得 到Dn数 据 并 依 据 公 式s =Dn/C算 出 应 力s值 。
如 果 应 力s =100MPa， 浮 法 玻 璃 的 C=2.65′10-12 m2/N ， 则 依 据 公 式Dn=C*s=0.000265. 此 数 据 极 小 ， 很 难 精 确 测 定 ， 因 此 DSR表 面 应 力 仪 精 度 不 高 ， 只 能 用 于 测 定 高 应 力 玻 璃 ， 不 能 用 于 半 钢 化 玻 璃 。 GAERTNER SCIENTIFIC 公 司 在 其 仪 器 操 作 手 册 中 明 确 表 示 ： “ 此 仪 器 无 意 、 也 不 能 够 用 于 测 定 应 力 值 小 于 10,000psi（69MPa）的 玻 璃 产 品 。 ” 即 此 类 仪 器 做 的 再 好 ， 也 不 能 用 于 半 钢 化玻 璃 。
除 精 确 度 不 高 以 外 ， DSR表 面 应 力 仪 还 存 在 零 点 易 飘 移 、 不 易 调 校 、 操 作 使 用 不 便 等 缺 点 。 其 优 点 在 于 价 格 相 对 较 低 。
3. GASP表 面 应 力 仪
GASP应 力 仪 由 美 国 著 名 的 应 力 分 析 技 术 公 司 STI 研 制 生 产 ， 国 内 由 杭 州 聚 能 玻 璃 技 术 公 司 独 家 代 理 并 提 供 售 后 服 务 及 零 配 件 供 应 。 国 内 已 有 耀皮、 南 玻 、 国 家 玻 璃 质 量 检 验 测 试 中 心 、 上 海 建 科 院 等 多 家 用 户 。
GASP一 般 采 用 激 光 作 为 光 源 ， 其 他 组 件 主 要 包 括 透 镜 组 、 入 射 棱 镜 、 回 射 棱 镜 、 反 射 镜 、 石 英 楔 、 刻 度 盘 、 目 镜 等 。 （见 图 3）。
图 4是 GASP工 作 原 理 图 。 入 射 偏 振 光 束 进 入 玻 璃 表 面 薄 层 ， 平 行 玻 璃 表 面 运 行 一 段 距 离 t后 离 开 玻 璃 ， 由 于 玻 璃 表 面 压 应 力 作 用 ， 光 束 产 生 双 折 射 现 象 ， 其 光 程 差 可 借 助 石 英 楔 精 确 测 出 。 石 英 楔 可 制 成 多 种 精 度 等 级 ， 因 此 无 论 应 力 大 小 如 何 ， GASP均 可 精 确 地 予 以 测 定 。
4. 仪 器 校 验 方 法
ASTM C1377提 供 了 一 种 校 验 表 面 应 力 仪 的 方 法 ， 采 用 机 械 机 构 在 玻 璃 条 上 施 加 恒 定 的 机 械 应 力 ， 将 计 算 得 到 的 机 械 应 力 数 值 与 仪 器 测 定 数 据 进 行 比 较 ， 就 能 得 到 校 验 结 果 。
如 图 5所 示 ， 将 宽 为 W， 厚 度 等 于 t的 玻 璃 条 两 端 简 支 并 在 离 两 端 L。 距 离 的 位 置 上 施 加 F力 ， 则 玻 璃 中 间 段 表 面 应 力 S=F′6L0/wt2.
此 种 方 法 的 校 验 精 确 度 主 要 取 决 于 装 置 各 部 分 的 几 何 尺 寸 。L0数 值 误 差 必 须 小 于 1%， 这 样 才 能 获 得1%精 度 的 校 验 结 果 。 玻 璃 断 面 形 状 也 是 非 常 重 要 的 ， 断 面 为 10mm′75mm的 玻 璃 作 2mm′45°磨 边 ， 则 会 减 少 断 面 模 量 约1%， 实 际 应 力 比 计 算 结 果 将 同 样 增 加1%左 右 。
5. 应 用
（1） 钢 化 玻 璃
传 统 检 验 钢 化 玻 璃 的 方 法 是冲 击 试 验 ， GB9963及 GB9656规 定 在 50mm′50mm范 围 内 的 碎 片 数 须 大 于 40粒 。 试 验 表 明 ， 在 钢 化 玻 璃 应 力 范 围 内 ， 表 面 应 力 值 与 碎 片 数 存 在 着 较 好 的 对 应 关 系 ， 根 据 Jacobs给 出 的 图 表 （图 6）， 40粒 碎 片 数 对 应 的 表 面 应 力 值 约 为 82MPa.
(2)热 增 强 玻 璃
热 增 强 玻 璃 在 我 国 常 被 称 为 “ 半 钢 化 玻 璃 ”。 国 外 在 建 筑 上 应 用 非 常 普 遍 ， 有 较 好 的 抗 风 压 能 力 。此 种 玻 璃 受 自 然 灾 害 破 坏 后 倾 向 于 留 在 窗 框 内 不 掉 落 ， 同 时 又 可 确 保 不 会 自 爆 。
需要指出，热 增 强 玻 璃 与 钢 化 玻 璃 是 二 种 不 同 类 型 的 玻 璃 ， 不 能 因 为 俗 称 “ 半 钢 化 玻 璃 ” 而 简 单 地 认 为 它 是 一 种 性 能 劣 于 钢 化 玻 璃 的 玻 璃 。 一 般 说 来 ， 钢 化 玻 璃 适 用 于 人 体 能 接 触 到 的 部 位 及 低 层 建 筑 。 由 于 普 通 钢 化 玻 璃 的 自 爆 特 性 是 难 以 完 全 避 免 的 （玻 璃 中 的 硫 化 镍 杂 质 引 起 自 爆 ）， 大 量 应 用 中 必 定 有 一 些 在 使 用 过 程 中 自 爆 ， 碎 片 落 下 易 伤 人 ， 因 此 高 层 建 筑 上 应 尽 量 避 免 使 用 热 增 强 玻 璃 。 如 因 其 它 原 因 必 须 使 用 钢 化 玻 璃 ， 则 应 选 用 经 老 化 处 理 的 钢 化 玻 璃 。
因 碎 片 状 态 类 似 于 退 火 玻 璃 ， 半 钢 化 玻 璃 只 能 采 用 应 力 测 定 的 方 法 检 验 其 质 量 。 需 要 注 意 的 是 ： ASTM规 定 热 增 强 玻 璃 的 应 力 范 围 是 24-51Mpa， 钢 化 玻 璃 的 应 力 须大 于 69MPa。 应 力 为 51-69MPa范 围 内 的 玻 璃 是 废 品 ， 它 既 不 能 用 作 钢 化 玻 璃 ， 也 不 能 作 为 热 增 强 玻 璃 使 用 。
(3) 钢 化 安 全 玻 璃
大 量 经 验 表 明 ， 当 钢 化 玻 璃 用 于 安 全 玻 璃 用 途 时 ， 其 表 面 应 力 值 通 常 大 于 103MPa。 常 见 的 例 子 是 汽 车 玻 璃 ， 如 应 力 小 于103MPa， 虽 然 碎 片 数 仍 能 满 足 有 关 标 准 要 求 ， 但 玻 璃 强 度 略 嫌 不 够 。 在 安 装 及 使 用 过 程 中 ， 由 于 应 力 不 足 以 确 保 玻 璃 边 部 不 受 损 伤 ， 常 常 发 生 玻 璃 碎 裂 的 情 况 。
（4）热 弯 玻 璃
热 弯 玻 璃 是 一 种 退 火 玻 璃 ， 要 求 玻 璃 内 应 力 尽 可 能 小 ， 确 保 玻 璃 不 会 因 过 大 的 不 均 匀 应 力 而 破 裂 。 典 型 的 用 途 是 鱼 缸 玻 璃 ， 在 弯 曲 部 分 应 力 较 集 中 ， 测 定 到 的 表 面 应 力 一 般 在 15MPa左 右 ， 易 导 致 玻 璃 碎 裂 。 通 过 检 测 应 力 值 并 有 针 对 性 地 调 整 玻 璃 冷 却 模 式 ， 最 终 可 将 局 部 应 力 降 至 7MPa以 下 ， 基 本 解 决 弯 角 破 裂 问 题 。
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