基于退化轨迹的真空玻璃寿命预测

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)海南大学信息科学技术学院 作者:裴磊

  真空玻璃是近年来兴起的一种保温材料,它多被用于建筑物的门窗,相比较于普通玻璃、中空玻璃等,它具有更好的保温性能。真空玻璃的使用寿命是真空玻璃应用的一个重要指标,由于真空玻璃出现时间较短,现阶段并没有通过实际测量得到的寿命数据。本文利用真空玻璃性能退化数据来评定真空玻璃的寿命。通过实验检测得到真空玻璃退化数据,利用退化数据对真空玻璃保温性能随时间广义变化的过程进行建模,建模过程中采用幂律退化模型,得到真空玻璃保温性能退化轨迹,并取阈值,预测得到真空玻璃寿命。实验证明,该建模预测过程准确有效,能够得到真空玻璃寿命的一个预测值。

  真空玻璃是应用于建筑物门窗的保温隔热材料,它由两片玻璃构成,在其中部密封有一个微小的真空隔层,通过真空隔层起到保温隔热的功能。真空玻璃主要应用于保温隔热,其性能指标包括其传热系数(K 值),使用寿命等,其中真空玻璃的使用寿命是真空玻璃应用于实际生产和施工中的一个非常重要的数据。判断服役中的真空玻璃是否具有良好的保温性能和其剩余的使用寿命对实际的生产生活具有重大的意义。

  1993 年,世界上首块1 米×1 米的平板真空玻璃样品在悉尼大学问世,其应用越来越广泛。由于真空玻璃出现的时间短,对于其寿命数据无法进行有效的测量,实际生产生活中并没有对真空玻璃寿命的一个真实测量数据。本文在实验室环境下检测真空玻璃保温性能退化数据,并利用基于性能退化数据可靠性评定的常用退化模型来预测得到真空玻璃保温性能退化轨迹,并对退化轨迹取阈值,得到真空玻璃使用寿命的一个预测值。以便对实际的真空玻璃使用进行指导。

1、现代产品寿命

  随着科学技术和工业技术的提高,越来越多的产品具有高可靠性、长寿命的趋势,在这种情况下对产品寿命的预测就变的非常困难。而在实际情况中,产品的退化过程是一个不可逆的过程,这个过程是产品的性能指标单调上升或者单调下降的一个变化过程。在这个退化过程中,伴随着产品的一些性能指标的变化,而这些性能参数变化是可信、可测、精准的表示产品性能的。利用这些参数的变化,检测产品的某个性能指标,并通过性能指标进行拟合建模来预测判断产品性能的退化轨迹,就可以对产品的可靠性即产品的使用寿命进行预测。真空玻璃作为一种现代产品,我们亦可通过上述的方法对其进行寿命预测。

4、真空玻璃退化分析

  真空玻璃的保温性能主要在于真空玻璃中的真空夹层,对于已经生产完工的真空玻璃,其中间层的真空度、压力难以用设备测量,其微小的变化也不能体现真空玻璃的一个退化过程,但是不可否认,由于真空玻璃内层真空的降解过程客观存在,真空玻璃的保温性能退化过程是客观存在的。

  实验室条件下,能够检测得到真空玻璃保温性能的简单数据,该过程为:固定真空玻璃一侧的表面温度,利用温度检测仪器得到在一段时间内真空玻璃非热源侧温度的一个变化过程。假设该检测过程一致,可以将该检测过程得到的温度变化率作为表征真空玻璃保温性能的一个定量指标,通过长时间的测量同一块真空玻璃该状态下的检测数据,可以得到真空玻璃的性能退化量。

  结合上述的真空玻璃退化过程客观存在的结论,本文通过该检测数据,和基本的退化模型,拟合数据和分析退化过程得到该检测真空玻璃的退化轨迹,并以一块中空玻璃在同等条件下检测得到的数据作为真空玻璃失效的阈值,预测该块真空玻璃的使用寿命。

  综合分析和判断该真空玻璃的退化过程之后,本文采用幂律退化模型来分析真空玻璃的退化过程。

5、检测退化数据

  对于真空玻璃的保温性能检测,本文使用简易的真空玻璃保温性能检测方式:固定真空玻璃一侧的温度为100 摄氏度,测量另一侧中心温度变化率(10 分钟内温度上升变化)来检测真空玻璃的保温性能指标,在一定周期内(1-12 个月)测量同一块真空玻璃的温度变化率,得到其保温性能退化量。

表1 标准试验系统结果数据

基于退化轨迹的真空玻璃寿命预测

  使用同样的方式测量一块中空玻璃的温度变化率作为真空玻璃失效的阈值,通过阈值来判断真空玻璃最后的退化寿命。

6、结论和分析

  在对真空玻璃进行保温性能测量实验之后得到真空玻璃保温性能退化量的数据(如图1)中我们可以看到,真空玻璃保温性能在一定时间内稳定不变化,但是在长时间内,真空玻璃保温性能有着微小的退化,表现为温度变化率的上升。

基于退化轨迹的真空玻璃寿命预测

图1 温度变化率和时间的关系

  可以看到,在时间发生变化时,真空玻璃一侧中心温度变化率有所上升,这部分的温度变化率的变化即是真空玻璃保温性能的一个退化量。由此可以判断真空玻璃保温性能退化过程是一个客观存在的过程,这个过程微小,时间长。

  通过拟合曲线计算,使用幂律退化模型来拟合真空玻璃的一个退化过程,其中α 取值为0.01即为温度变化率的初始值,β 取值为1.08。得到真空玻璃退化轨迹公式为:

y(t)=0.01t 1.08 (6)

  得到退化曲线为:

基于退化轨迹的真空玻璃寿命预测

图2 真空玻璃退化轨迹拟合曲线

  可以看到拟合曲线基本吻合真实检测得到数据,该曲线能够较为准确的描述该块真空玻璃的保温性能退化过程。在同样实验条件下,检测一个块中空玻璃的温度变化率,以该温度变化率作为真空玻璃的失效阈值,可以得到真空玻璃的寿命预测值。

基于退化轨迹的真空玻璃寿命预测

图3 真空玻璃退化轨迹和其失效阈值

  其中中空玻璃的温度退化率为6.22,由此公式(6)和图6 可以得到该真空玻璃的预测寿命为386.2 个月,由此可以预测该真空玻璃的寿命为30 年左右。

  真空玻璃的主要保温原理是利用其中存在的真空层,在实验和真空玻璃的制作过程中我们发现真空玻璃的保温性能只和真空玻璃内层的真空度存在极大的关联。而目前人们尚未完全的理解导致真空玻璃保温性能下降即真空玻璃内部真空度降解的物理过程以及它们出现的速率。由本文的实验可以知道,真空玻璃内部的真空降解过程是真是存在的,真空玻璃在一段时间内的保温性能是一个单调的过程。并且通过幂律退化模型拟合真空玻璃的退化轨迹和在该退化轨迹上取失效阈值,可以得到该真空玻璃的一个大概的使用寿命为30 年左右。该检测和建模过程为研究真空玻璃的性能指标具有极大的意义。

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