控制各向异性



立面上可见的各向异性

立面上可见的各向异性

虽然玻璃热处理时各向异性不可避免,但2016年行业取得重大突破,开发了在线各向异性可视化设备。

概述

虽然玻璃热处理时各向异性不可避免,但2016年行业取得重大突破,开发了在线各向异性可视化设备。

结果是一种在线设备,能够基于光弹性理论对每个单一热处理玻璃的各向异性水平进行可视化和量化。这提供了一种量化各向异性水平的科学方法。

在建筑项目的情况下,使用这种方法来评估每个单一热处理玻璃的各向异性水平还可以保证生产的玻璃与批准的模型玻璃的一致性。

一、简介

立面上可见的各向异性

图 1 立面上可见的各向异性。

如图 1 所示的各向异性也称为“虹彩”或“豹斑”或“增韧标记”或“淬火标记”或“布鲁斯特标记”或“应变标记”。

欧洲标准 EN 12150 建筑玻璃 - 热钢化钠钙硅酸盐安全玻璃 [1] [3] [3] 将各向异性描述如下:

9.2 各向异性(虹彩)
钢化过程在玻璃的横截面上产生不同应力的区域。这些应力区域在玻璃中产生双折射效应,这在偏振光下可见。在偏振光下观察热钢化安全玻璃时,应力区域显示为彩色区域,有时称为“豹斑”。

偏振光出现在正常日光下。偏振光的量取决于天气和太阳的角度。无论是在掠射角度还是通过偏光眼镜,双折射效果都更加明显。这种现象是钢化玻璃的自然物理特性,无法消除。

ASTM C1048 – 12
热强化和全钢化平板玻璃标准规范 [4] 将各向异性定义为: 7.4 应变模式——应变模式,也称为虹彩,是所有热强化和全钢化玻璃所固有的。

在某些光照和其他条件下,这种应变模式可能会变得可见。这是热处理玻璃的一个特性,不应被误认为是变色、色调或颜色不均匀或玻璃缺陷。应变模式不影响玻璃的任何物理特性或性能值。

已经开发出一种可视化方法,可以通过修改钢化炉参数的设置来提高热处理过程中玻璃加热和冷却的均匀性,从而减少玻璃中的应力差异。

基于光弹性理论的量化将允许计算光学延迟。计算结果不仅可以更好地比较每种单一热处理玻璃的整体各向异性外观,还可以指定应达到的水平。

二、玻璃加工及各向异性

各向异性是为了获得热强化玻璃 (HS) 或热钢化安全玻璃也称为全钢化 (FT) 玻璃的热处理过程的必然结果。这个热处理过程可以分为 3 个部分,即

A/ 在熔炉中将玻璃加热到大约 680°C
B/ 然后在淬火中或多或少地突然冷却玻璃,以便将应力引入玻璃
C/ 冷却

该过程应以这样一种方式进行控制,即玻璃的加热和冷却将尽可能均匀。

在淬火冷却的第一阶段期间玻璃的振荡是关键的。应考虑冷却速率(HS 或 FT)和可能的振荡路径来确定优化的冷却过程。振荡路径由玻璃的尺寸和冷却区或淬火区的长度决定。

由于淬火的长度是固定的,并且与全钢化玻璃相比,获得热强化玻璃的冷却速度较低,因此热强化玻璃将比全钢化玻璃表现出更多的各向异性。

对于较厚的热处理玻璃,可以做出相同的推理,即玻璃越厚,玻璃达到低于玻璃化转变温度的温度所需的时间就越长。因此,玻璃越厚,出现可见各向异性的风险就越高。一旦热处理完成,各向异性的水平就固定了。

三、控制各向异性的措施

热处理工艺的优化可以通过检查热强化或回火工艺后的各向异性水平来评估。理想情况下,这是对每个玻璃板进行的。因此,已开发出一种在线检测设备,允许可视化从钢化设备中出来的每个玻璃板的各向异性。

重要的是,首先在线检查给出的信息与使用离线设备获得的图像完全相同,可以检查图像采集的质量。图 2 显示了使用偏光镜离线设备获得的图片与使用在线可视化设备获得的图片之间的比较。

图 2 使用偏光镜和在线可视化设备获得的各向异性可视化 100% 匹配

图 2 使用偏光镜和在线可视化设备获得的各向异性可视化 100% 匹配。

四、在线各向异性图片的获取

许多参数正在影响各向异性的可视化。最重要的参数是所用光的类型——单色光或白光——以及偏振滤光片的种类,即线性或圆形偏振片滤光片。

4.1. 等斜线

进入热处理玻璃的偏振光束将被分成两个主轴,因为玻璃在热处理后会受到应力,因此表现为双折射材料。

主轴彼此垂直,光波将以不同的速度穿过材料,因此当穿过热处理玻璃时,一个相对于另一个会延迟。

当离开玻璃时,这种延迟导致两个波之间的相位差。如果没有相移,屏幕将是黑色的,因为组件会相互消除。

然而,如果偏振方向与主应力轴之一重合,屏幕也将是黑色的,因为进入玻璃的偏振光不会分裂,尽管玻璃中可能存在非均匀应力状态。

这些条纹称为等斜条纹,显示主应力方向相同但与应力大小无关的点。因此,等斜线不会提供任何与各向异性外观相关的信息。

4.2. 圆偏光镜

当单色光穿过线性偏振器、热处理玻璃和与偏振器成 90° 的线性分析器时,可以看到两种不同的条纹,即等斜条纹和等色条纹。

由于等斜线不能提供有关各向异性外观的有价值的信息,因此应使用圆偏振片滤光片。这种光学布置将消除等斜线并保持等色条纹。这些条纹可视为所有具有相同主应力差的点的位置。

消除等斜条纹意味着偏振光束没有明显的方向。这与使用线性偏振片滤光片相反,其中光强度随偏振轴的方向而变化(即观察到的图案的光强度将在半波长的相移处最大化)。

4.3. 白光

白光由许多波长组成。如果将这种光源与圆偏振片滤光片结合使用,则会观察到多色等色条纹图案, 如图 3所示。

图 3 多色条纹

图 3 多色条纹

等色条纹的颜色取决于消失的波长。从图4中可以看出,相对延迟越高,同时熄灭的颜色就越多。

图 4 不同相对延迟的熄灭颜色

图 4 不同相对延迟的熄灭颜色

五、量化

由于在过去十年中图像采集技术的质量有了很大提高,因此可以使用基于 RGB 光弹性的方法来确定光学延迟 [5]。

图5 在线可视化设备获取的源图像

图5 在线可视化设备获取的源图像

图 6 显示光学延迟的图像

图 6 显示光学延迟的图像

来自在线可视化设备的源图像在图 5 中给出。对于该图像的每个像素,延迟是通过将 RGB 值与给定系统的校准比例进行比较来确定的。这个过程的结果是彩色图 6,显示了每个点的光学延迟。

从图 6 可以绘制出一个曲线图(图 7),显示了与玻璃表面百分比相关的光学延迟。示例:66% 的玻璃表面具有小于或等于 50 nm 的光学延迟。

图 7 相对于玻璃表面的光学延迟

图 7 相对于玻璃表面的光学延迟。

曲线越陡峭,可见的各向异性越小,因为光学延迟会很小,这表明整个玻璃表面上的应力差异会很小,即应力分布会更均匀。

根据该曲线,可以进行如表 1 中给出的统计评估。推荐使用分位数来对一个或不同批次的不同单一热处理玻璃板之间的各向异性水平进行基准测试。

如果 5% 和 95% 分位数的光学延迟值几乎相等,这意味着曲线非常陡峭,几乎看不到各向异性。

表1 光学延迟的统计评价[nm]

最大限度349.00分位数 50
意思是22.27分位数 509
标准差32.06分位数 9597

由于沿玻璃边缘始终存在可见的各向异性,因此可以决定是否忽略边缘区域,这取决于未来的玻璃安装方法,即捕获系统或无框系统。

六、财务影响

三角形的尖点总是表现出临界各向异性。此外,三角形的形状会影响炉内的气流和淬火,并影响较大窗格的各向异性, 如图 8所示。

图 8 热处理过程中一块板对另一块板的影响对随后出现的各向异性的影响

图 8 热处理过程中一块板对另一块板的影响对随后 出现的各向异性的影响。

这意味着在热处理过程中控制各向异性时,必须考虑到如果一块板属于同一床层载荷的一部分,它们可能会影响另一块板。在某些情况下,控制各向异性将减少床负载。除了优化的振荡速度等,这还会降低回火线的输出。

结论和总结

由于不存在无各向异性热处理玻璃,而且环境会影响各向异性的外观,因此建议通过安装在施工现场或附近的模型来评估玻璃。

样机获得批准后,应使用在线可视化和量化设备控制继续生产,以便将单一热处理玻璃的质量与已批准样机的质量进行比较。

此外,应使用基于光弹性理论的科学方法进行客观量化,以指定所需和可接受的各向异性水平。

在指定热处理玻璃时,必须考虑到热强化玻璃和/或较厚的玻璃会比全钢化和/或较薄的玻璃显示出更多的各向异性。

即便如此,必须考虑到,与具有相同成分、尺寸和形状的大量玻璃的项目相比,具有许多不同尺寸和/或形状的项目对于具有可见的各向异性更为重要。

必须进行进一步的测量,以确定在热处理过程中控制各向异性的额外成本,因为该过程会影响整体设备效率。

最后,应收集测量数据,以定义各向异性的类别,这些类别可能会被标准化并成为参考。

参考

[1] EN 12150 Glass in building – Thermally toughened soda lime silicate safety glass, 2015, 20
[2] EN 1863 Glass in building - Heat strengthened soda lime silicate glass, 2011 [3] EN 14179 Glass in building - Heat soaked thermally toughened soda lime silicate safety glass, 2016
[4] ASTM C1048 – 12 Standard Specification for Heat-Strengthened and Fully Tempered Flat Glass, 2012,3
[5] M. Illguth, C. Schuler, Ö. Bucak, The effect of optical anisotropies on building glass façades and its measurement methods, Frontiers of Architectural Research (2015) 4, 119 – 126
[6] H.W. McKenzie & R.J. Hand, Basic optical stress measurement in glass, Society of Glass Technology, 2014

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