真空玻璃的使用寿命

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳真空技术研究所 作者:董镛

  真空玻璃主要用作建筑物及工业产品(如冰柜门、车船窗等)的外围护材料,在其长达数十年的服役期间要经受日光照射、高低温变化的反复作用,在此期间能否稳定地保持其良好的性能是真空玻璃做为工业产品能否生存发展的关键。

  所谓“真空玻璃使用寿命”是指真空玻璃隔层内的工作真空度(≤0.1 Pa)所能保持的时间。导致工作真空度下降的主要因素有:

1、渗漏

  真空玻璃周边及抽气管均采用显象管工业大量使用的低熔点玻璃粉熔封,半个多世纪的应用实践证明(1939 年黑白电视问世,1953年彩电问世):这种密封材料足以满足显象管等各种电真空器件的密封要求(电真空器件的允许漏率≤10- 12 Pa·m3/s)。

2、渗透

  气体对玻璃的渗透以分子态进行,分子直径逾小逾易渗透。在各种气体中,He 气对玻璃的渗透率最高, 尽管空气中He 的分压只有0.53 Pa,对玻璃的渗透主要还应考虑He。渗透系数Ks 是表征气体渗透性能的物理参数,玻璃越硬Ks 越大,反之Ks 越小。改变玻璃成份,Ks 最多可变化6 个数量级。浮法玻璃为钠钙玻璃,其中碱性氧化物(Na2O,K2O,CaO 等),阻塞了He 分子的渗透孔道,使He 气的Ks 值大大降低。对20℃, 钠钙玻璃, 外推求得He 的Ks 值约为7.5×10-13cm3·Pa/cm2·s·Pa·mm-1 量级。对1 m2 真空玻璃,He 的渗透率按下式估算:

Qs = Ks·(P2- P1)·2×A/d (8)

  式中Ks为He 对钠钙玻璃的渗透系数cm3·Pa/cm2·s·Pa·mm-1;(P2- P1)———玻璃内外He 压差,Pa;A———玻璃面积,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

  由上述结果可见:Qs<< 电真空器件允许漏率10- 12 Pa·m3/s,实不足虑。

3、玻璃内表面放气

  影响真空玻璃寿命的主要因素玻璃表面和体内含有大量气体,主要是H2O(占90%以上)、及少量CO2、O2 和SO2,这些气体在玻璃熔炼或热加工期间溶入或吸附于表面,约有102 Pa·L/cm3 之多。在温度、光照等外部条件作用下,这些气体可从玻璃表面或表层解吸,或扩散进入真空层内。

  加热、烘烤是电真空行业对玻璃除气的主要方法,历经百年,行之有效。玻璃烘烤放气源自三个层次: 表面、表层及内部, 对钠钙玻璃,经350℃烘烤, 其放气成分中H2o 占75.3%,CO2 占22%,CO 占0.4%。其中58%为表面放气,31%为表层放气,内部放气只占11%。

  为使玻璃除气彻底,>350℃的高温烘烤是绝对必须的, 对真空玻璃内部放气规律的最新研究也证实:这一措施对真空玻璃制造同样有效。图6 为两块真空玻璃样品在热老化实验中内部压强变化对比。具体实验条件及结果为:

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  结构相同的另外一组样片在室外进行了200 天左右日光辐照老化试验, 结论同样是后者(350℃)优于前者(150℃),参见图7。

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  Low- E 膜层虽然只有几个微米的厚度, 但在抑制辐射传热上至关重要,是真空玻璃的重要组成部分,测试表明:在真空中400℃的高温烘烤可有效清除(SnO2:F)低辐射膜表面的吸附碳,形成稳定的耐紫外线(UV)辐照的低辐射膜层,这一点对长期保持真空玻璃的良好性能至关重要。

  国内某公司2000 年前后曾对一批真空玻璃样品进行了为期数百天的日晒老化试验,其结果部分显示于图8 中。

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  ※ ①②号样品的结构为:(3+V+3);⑤⑥⑦号样品的结构为(4+V+4);⑧⑨号样品的结构为:(4L+V+3);③④⑩号样品的结构(4L+V+4);L- 为在线Low- E 镀膜,发射率~0.2。由图8 可见:1)经400℃烘烤制成的真空玻璃,其传热系数U 明显低于200℃烘烤制成的同结构真空玻璃;2)比较高、低温下制成的真空玻璃老化后的U 值升高曲线,可见后者的斜率要大于前者,再次证明低温烘烤的真空玻璃除气不彻底,影响真空玻璃的远期性能。

4、吸气剂

  为确保真空玻璃使用寿命≥20年, 除采用上述措施外近年来还在真空玻璃中装入长效吸气剂, 进一步提高真空玻璃的真空度。以显像管为代表的电真空器件的应用实践可以佐证: 真空玻璃是可靠长寿命的静态真空器件。

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