尼爾森博士現(xiàn)場(chǎng)演講
真空玻璃的壽命及應(yīng)用
尼爾森博士 悉尼大學(xué)
摘要：
真空玻璃是一種新的隔熱窗,由兩片玻璃構(gòu)成,邊緣密封并有一個(gè)很小排空空間。真空玻璃主要應(yīng)用于窗戶,因此確保儀器壽命十分重要。自真空玻璃發(fā)明以來(lái),其生產(chǎn)僅進(jìn)行了13年,因此很難進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)定性評(píng)估。最近開(kāi)發(fā)了一種短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)真空玻璃壽命超過(guò)30年的創(chuàng)新方法。穩(wěn)定的真空玻璃已經(jīng)成功制成,其中空特性好于傳統(tǒng)雙層玻璃單元3倍。除了突出的性能,真空玻璃是設(shè)備裝配翻新,解決雙層或三層玻璃因厚度僅0.62厘米和重量輕而產(chǎn)生安裝問(wèn)題的理想設(shè)備。
真空玻璃(圖1)是一種新的隔熱窗,由兩片玻璃構(gòu)成,邊緣密封并有一個(gè)很小排空空間。真空玻璃主要應(yīng)用于隔熱,因此確保儀器壽命達(dá)到幾十年十分重要。監(jiān)控內(nèi)部真空長(zhǎng)期穩(wěn)定性的簡(jiǎn)單方法是長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量氣態(tài)導(dǎo)熱率。真空玻璃第一個(gè)樣本是在10年前才成功生產(chǎn)的,為了評(píng)估玻璃樣本的穩(wěn)定性,確認(rèn)影響真空穩(wěn)定性的物理工藝,有必要加速老化過(guò)程。本論文描述了評(píng)估在不同條件下制成的玻璃樣本穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)方法。 用除氣機(jī)制老化模型的開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)真空玻璃的壽命。另外討論了真空玻璃性能和其它中空玻璃的性能比較。
老化措施
為了評(píng)估玻璃樣本穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了加速老化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)。在研究中,樣本儲(chǔ)存于高溫環(huán)境,通過(guò)旋轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x器對(duì)其內(nèi)部壓力進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有使用傳統(tǒng)的導(dǎo)熱測(cè)量方法測(cè)量真空玻璃特性,因?yàn)闊o(wú)法測(cè)量老化過(guò)程中導(dǎo)熱性能的細(xì)微變化。旋轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x器對(duì)壓力的導(dǎo)熱性能評(píng)估更加敏感,可低至10-s托,可以檢測(cè)到導(dǎo)熱性更小的變化。
帶玻璃導(dǎo)管的樣本可以實(shí)現(xiàn)老化試驗(yàn)過(guò)程中的內(nèi)部壓力測(cè)量,每個(gè)樣本安裝在專門設(shè)計(jì)的溫度控制隔熱爐中,如圖2,玻璃導(dǎo)管小部分露在爐外。
圖⒉ 帶玻璃導(dǎo)管的真空玻璃測(cè)壓圖,在老化過(guò)程中使用旋轉(zhuǎn)測(cè)壓儀。
測(cè)量用樣本在高溫下老化,使樣本在老化爐內(nèi)用旋轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x器對(duì)內(nèi)部壓力進(jìn)行周期性測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中,爐內(nèi)溫度按步驟增加并保持在特定溫度1天至幾周,此期間對(duì)樣本測(cè)壓。每一個(gè)恒溫階段末樣本都被冷卻至室溫,在進(jìn)行下一階梯溫度前測(cè)壓。
加速老化用于韌化玻璃片樣本或低輻射玻璃。此類樣本在樣本制作過(guò)程中烘15分鐘到3小時(shí),溫度從50°C到380°C。
圖3顯示了典型的樣本老化數(shù)據(jù)獲取過(guò)程,制作過(guò)程中樣本烘烤溫度為100°C。樣本內(nèi)部壓力隨著升溫,增加了50毫托,而烘烤溫度為380°C時(shí),壓力增加不到0.1毫托。
壽命模型
為了確定除氣工藝,確定監(jiān)控參數(shù)需分析老化測(cè)量獲得的結(jié)果。通過(guò)對(duì)除氣數(shù)據(jù)函數(shù)化建立了模型。圖3的數(shù)據(jù)表明壓力增加以與時(shí)間相關(guān)的平方根相關(guān),表明是離散工藝。函數(shù)可表達(dá)為
,y代表真空玻璃內(nèi)部壓力;t是測(cè)量時(shí)間;tp和c是依賴于老化歷史的常量；m相關(guān)烘烤溫度
，其中Hact是反應(yīng)能量。將數(shù)據(jù)點(diǎn)帶入以上公式，應(yīng)用菲克定律解方程得擴(kuò)散到真空層的氣體并有壽命模型：
此此模型測(cè)量真空玻璃穩(wěn)定性,其壓力增長(zhǎng)-Pser,壽命tser,溫度Tser。
不同條件真空玻璃穩(wěn)定性可以用壽命模型計(jì)算。圖4展示了樣本可能的壓力增長(zhǎng),烘烤時(shí)間從30分鐘到3小時(shí)不等,溫度不同。壽命設(shè)定為30年,25° C室溫。這些數(shù)據(jù)表明100°C烘烤的樣本會(huì)在30年后下降10-2托。熱性能最穩(wěn)定的真空玻璃可以在380° C,延續(xù)3小時(shí)獲得。玻璃中內(nèi)壓不會(huì)增加10-4托以上。這些模型結(jié)果與長(zhǎng)期老化測(cè)量的真空玻璃數(shù)據(jù)一致。
應(yīng)用
真空玻璃的成功取決于隔熱性能和真空穩(wěn)定性。如上所述,穩(wěn)定的真空玻璃可以通過(guò)高溫制作工藝獲得。高隔熱性能可以通過(guò)真空和低輻射膜的結(jié)合獲得。使用真空玻璃優(yōu)勢(shì)諸多。由于隔熱性能與抽空空間大小無(wú)關(guān),好的隔熱性應(yīng)可以通過(guò)窄的真空結(jié)構(gòu)獲得,因此真空玻璃的厚度降低到幾乎2片玻璃同等厚度。表1顯示了不同設(shè)計(jì)的窗戶熱傳導(dǎo)典型情況。真空玻璃的熱傳導(dǎo)幾乎比單片玻璃低7倍。
厚0.62cm真空玻璃性能幾乎同于三層玻璃,但三層玻璃厚1,5cm,由于克服了雙層或三層玻璃因厚度帶來(lái)的安裝問(wèn)題,這使真空玻璃成為改裝市場(chǎng)的理想候選。真空玻璃可替代建筑或其它應(yīng)用中的雙層或三層玻璃。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施,真空玻璃穩(wěn)定性得到考察,其內(nèi)部壓力直接通過(guò)旋轉(zhuǎn)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量。
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