Ａｒｃｈｉｔｅｅｔｕｒａｌ＆Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｇｌａｓｓ№２ ２０ １ ７ 浮法成形过程对超薄玻璃表面波纹度影响的研究 邹德仕 封福明 许世清 刘世民 １．燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 ２．秦皇岛慧泽材料科技开发有限公司 摘要：表面微观波纹度是表征超薄浮法玻璃质量的一个重要指标，浮法玻璃成形过程是玻璃表面出 现波纹的主要阶段，找出易引起表面波纹的因素，进行深入分析，加以优化控制，能有效降低玻璃表 面的波纹度，提升玻璃质量。在成形过程中，影响锡槽温度制度的因素很多，温度的不均匀会导致玻 璃液黏度出现差异，影响液流流动，引起表面波纹。若锡液中存在的铁过量，随着温度降低，会有晶 体析出并聚集在锡槽出１：７端，对玻璃下表面造成破坏。对超薄玻璃在成形时引起表面波纹的因素进 行总结，既能提升玻璃质量，亦能提高我国超薄玻璃产品在国际市场的占有率。 ０引言 国家标准《液晶显示器用薄浮法玻璃》中对表面 波纹度规定如表１所示： 表１ ＧＢ厂ｒ ２０３１ ４—２００６关于显示器用 进入２ｌ世纪，信息技术发展迅速，各种电子设备 充斥于人类生活之中。随着ＩＴ业的迅猛发展，液晶 显示器，等离子显示器等高端电子产品应运而生，随 之产生的是，对这种显示器所需的基础材料——玻 薄浮法玻璃微观波纹度检测标准 微观波纹度， ｕ ｍ，２Ｏｍｍ） 厚度，ｍｍ Ａ级 精选 普通 璃基板的需求量变大，使之成为平板玻璃行业新的 经济增长点。厚度在１．５ｍｍ以下的浮法玻璃（主要有 １．３ｒａｍ、１．１ｍｍ、０．７ｍｍ、０．５５ｍｍ等几个品种）ｌ１］，作为 显示器的关键基础材料，对其工业化生产的关注度不 断提升。作为浮法玻璃中的高端产品，生产工艺与传 统的建筑用浮法玻璃有很大差别。目前，ＦＰＤ用玻璃 基板的市场份额主要被欧美，日本等发达国家占有， 国内的超薄浮法玻璃生产尚处于发展阶段。波纹度 是影响超薄玻璃产品质量的一个主要因素，波纹度不 Ｂ级 １．３０ ≤０．１０ １．１Ｏ ０．８５ ≤０．１５ ≤Ｏ．１５ ０．７０ Ｏ．５５ ≤０．１５ ≤０．２０ ≤０－２０ １．３检测方法 在一批浮法玻璃中分别从三片样品上各取 达标，制成ＩＴＯ导电膜玻璃时，会因表面存在起伏，使 透明电极接触不良，影响图像质量或触摸操作，也可 能会使显示器出现“排骨彩虹”现象Ｉ ，使产品报废， 造成巨大经济损失。找出产生波纹度的因素，进一步 分析、优化，持续、稳定的生产出高质量ＦＰＤ用玻璃 基板是我们追求的目标。 １表面波纹度介绍 １．１表面波纹度定义 ２００ｒａｍ×２００ｍｍ的玻璃，用表面形貌仪检测时，浮法 玻璃锡面朝上，沿垂直拉引方向扫描，设截止波长为 ０．８～８．Ｏｍｍ，扫描长度不小于１５０ｍｍ，结果取三块任 意２０ｍｍ长度测得的最大值【３】。 ２成形时造成薄玻璃表面波纹度的原因概述 ２．１温度制度 流液道温度是玻璃生产中很重要的一个工艺指 标，若该温度指标不合理，会影响玻璃液流量和板宽 的变化，直接影响成形操作。相比于传统浮法，在生 表面波纹度，是指玻璃表面的微小起伏不平，具 有较小间距和微小峰谷的微观几何形状误差。 １．２检测标准 一产超薄玻璃时，适当提高锡槽前端玻璃液和高温区温 度，降低玻璃液粘度，有利于表面波的衰减，加速抛 ２一 建筑玻璃与工业玻璃２０１７，Ｎｏ ２ 光过程【４］。出口端温度是保证成形和退火质量的指 标，也是直接关系到安全生产的重要指标。该指标不 合理，会使玻璃锡液面产生划伤、沾锡、辊印、雾斑、 硌伤等缺陷，直接影响表面平整度，使波纹度突高。 在生产薄玻璃时，因拉引量降低，使成形温度得不到 保证，除了提升进口端温度，还需要开启电加热系统， 传统电加热元件为硅碳棒，热源为辐射状，使热源中 心区与边缘区产生温差，现场实测，最大温差能达到 ｌ８ｃ《＝［５】，所以，在生产薄玻璃时，电加热分区必须更为 细致，控制更为精准。在改变电加热功率对温度进行 调整时，要进行稳压控制，防止因电压波动对玻璃液 的温度、黏度造成影响。 ２．２黏度制度 玻璃液黏度不均，会使玻璃液流产生运动速差， 拉伸不均会使表面产生波纹。影响黏度的因素主要 有温度和基础成分。当温度为９００￣Ｃ～７５０℃黏度为 １０４～～１０ Ｐａ・ｓ时，玻璃带处于拉薄成形区［６１，对温 差极其敏感，温度每下降１℃黏度上升４％［１Ｊ。薄浮法 玻璃的基础成分以钠钙硅为主，特点是以ＳｉＯ，代替一 部分Ａ１ Ｏ ，以ＲＯ代替一部分Ｒ Ｏ。因为ＳｉＯ 熔点是 １７１３℃，而Ａｌ２０３是２０１０℃，以ＳｉＯ２代替一部分Ａ１２Ｏ 有利于玻璃的熔制和澄清，可以克服Ａ１，Ｏ 的快凝而 引起的玻璃表面线道和波纹；以ＲＯ代替一部分Ｒ，Ｏ， 可弥补因减少Ａ１ Ｏ 对玻璃化学稳定性带来的影响。 ＭｇＯ能使玻璃具有良好的韧性，降低玻璃的退火温 度并缩短退火时间。以ＭｇＯ代替ＣａＯ会使玻璃黏度 增加，但如果ＭｇＯ过量，会使玻璃因黏度不均产生线 道和波纹，因此，一般ＭｇＯ在浮法玻璃成分中不超过 ４％ｔ 。 ２．３拉边机 拉边机在薄玻璃生产过程中作用显著，主要是对 玻璃带施加向外展的力，薄玻璃生产中，拉边机可以 达到十几对之多，拉边机的“四度”——摆放角度， 旋转速度，机头压人深度，杆的插人深度就尤为重要， 它们相互联系，相互影响。拉边机的角度会影响横向 拉引力的大小，合理的设置会使玻璃带在不同的区 域有较好的形态及宽度。相邻拉边机的速比不易过 大，否则由于拉力不均易出现“葫芦边”。拉边机的 总速比在数值上与拉薄比相当，生产薄玻璃时，由于 收缩率降低，拉薄比随之减小，若拉薄比增大，第一 对拉边机前面的玻璃带将变厚，中间与边部的速度差 增大，玻璃带受到的剪切应力随之增大，将对表面质 量带来一定影响。机头的压人深度应使拉边机的作 用力沿玻璃厚度中心传递，压人过浅会使工艺参数 失效，压人过深会使板边严重变形，产生永久机械应 力。拉边机杆的插入深度则主要影响玻璃带的宽度 变化 。 采用强制拉薄工艺将使玻璃表面质量降低，随着 玻璃带厚度变薄，影响愈加明显，这种特征可以从斑 马仪的检测结果得到证实。这种工艺的特征是：脱离 末对拉边机时的玻璃带厚度，基本接近最终厚度，末 对拉边机的线速度也接近最终拉引速度 】。拉边机 的机杆和机头对玻璃带有强冷却作用，会使玻璃带横 向温差加剧，导致横向温度的抛物线形更加明显，使 中部和边部的黏度不一致。在生产薄玻璃之前，要对 其周边进行保温处理，适当提高机头冷却水的出水水 温，开启锡槽边部位置的电加热系统，降低玻璃带边 部的局部冷却强度，减小横向温差，提高表面质量。 ２．４保护气体的分区控制 锡槽中需通人保护气体防止锡液氧化，保护气体 经顶部砖缝渗入，相对于锡槽中的高温，仍算是一种 冷却介质，保护气体的流动会对锡槽温度制度产生影 响，这种影响无法避免，为了降低其影响程度，生产 薄玻璃时，气体分区由原来简单的分为槽前、槽中、 槽后三个分区，演化为多个分区，各分区在配气过程 中就已分好，并通过ＤＣＳ系统进行监控。根据各分区 的用途和用气量范围，进行科学的配比，更有利于锡 槽温度制度的平衡，提高表面质量ｌ２］。 ２．５锡液对流 浮法玻璃生产是以锡液为浮抛介质，让玻璃液 漂浮在相对密度大的锡液表面上，在重力和表面张 力的作用下，玻璃液铺开、摊平。但锡槽中首尾温差 在５００￣Ｃ左右，会造成锡液产生对流，锡液的对流主 要表现为三种形式：一是与玻璃带前进方向相同的前 进流，二是玻璃带下方深层锡液中与前进流反向的回 流，三是玻璃带两侧锡液裸露部分与玻璃带前进方向 相反的回流 】。其中，深层回流对玻璃成形质量影响 最大，冷热锡液对流使锡液温度、黏度不均匀，导致 成形区不能实现等温差，降低表面质量。根据生产经 验，主传动引起的锡液强制对流对薄玻璃下表面的微 波纹有明显影响，因此，阶梯锡槽、直线电机、石墨挡 坎等辅助设施就显得尤为重要。通过ＦＬＵＥＮＴ软件 对锡液流动进行模拟，施加上挡坎和直线电机的作用 之后，对锡液的流动规律大致总结如图１所示，图中 蓝线为上层液流，黑实线为下层液流，虚线为玻璃带 边缘。 一３一 Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ＆Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｇ１ａｓｓ Ｎｏ ２ ２０１７ 壤埔蒂轮瓣 磊墨挡坎 慧缱电机垃置 锈槽轮瓣 图１ 有挡坎和直线电机锡液流动示意图 从图中可以看出，挡坎可以阻挡深层锡液回流， 减小冷热锡液对流对成型区温度的影响，挡坎的位置 和高度需要根据生产实际情况而定。直线电机能将 上层部分锡液阻隔，使中心锡液经边部流回，平衡了 横向温差。二者配合使用，很大程度上降低了锡液的 冷热对流，提高了玻璃液温度、黏度的均匀性，保证 表面质量。 ３对于锡液中Ｆｅ含量过高引起表面波纹度的具体 分析 锡液中Ｆｅ含量过高会在低温端导致析晶，给玻 璃锡面带来较大波纹，降低表面质量。对此，我们借 助于带有较大波纹度的２．２ｍｍ厚度的玻璃，结合实际 生产条件，做了深入分析研究。虽然２．２ｍｍ厚度的浮 法玻璃不算超薄玻璃，但锡液的杂质与玻璃厚度无 关，同样会给超薄玻璃的生产带来影响。 ３．１实验仪器及参数 采用表面光度仪ＸＰ一２ＴＭ进行检测，采用的扫描 长度为３．６ｒａｍ，扫描速度为０．２ｍｍ／ｓｅｃ。 ３．２实验方法及结果 首先将玻璃样品放于超声波清洁机中进行清洗 ２ｍｉｎ，取出后用无尘纸将表面水分吸干，保证玻璃表 面清洁。用表面光度仪分别对其上下表面的拉引方 向与垂直拉引方向进行波纹度的扫描，得到的波纹度 曲线图如图２、３、４、５所示。 ｌｅｎｇｔＰ ｍｍ Ｉｅｎｇｔｈ，ｍｍ 图３样品下表面垂直拉引方向的波纹度曲线图 一 — ｌｅｎｇｔｈ／ｒｎｒｎ 图４样品上表面拉引方向的波纹度曲线图 ｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ 图５样品下表面拉引方向的波纹度曲线图 忽略图中包络线以外的噪声，未计入测试误差分 析中，用ＡＲ表示图中波纹（包络线为主）最高点与最 低点的差值，定量结果汇总如表２。 表２样品表面波纹度统计 ＼＼方向 垂直拉引方向 拉弓 方向 数值＼＼ 上表面 下表面 上表面 下表面 ＡＲ／ＩＯ～ｎｍ ４９６．３ ８０９．１ ３ｌ５．６ ２５４．１ 通过曲线变化特征趋势和定量数据，可以明显看 出沿垂直拉引方向（板宽方向）测量的玻璃下表面波 纹度极差值远大于上表面波纹度，而平行于拉引方向 玻璃下表面波纹度极差值小于上表面波纹度，且平行 于拉引方向的波纹度远远小于垂直拉引方向的波纹 度，这一结果表明本样品产生波纹度的主要原因在下 表面，且是沿拉引方向分布的，同时锡液面的波纹度 也是超薄浮法玻璃主要关注的。为了较全面、准确的 展示出玻璃表面的波纹度特征，进一步采取分段测试 的方法，在样品上取等距的四点，探针每次走５ｒａｍ， 第二次以第一次的终点为起点，依次走三段。将其连 接，形成如下波纹度曲线的连接图６、７。 图６样品上表面垂直拉引方向波纹度曲线图 建筑玻璃与工业玻璃２０１７，Ｎｏ ２ ｌｅｎｇｔＷｎｍ 图７样品下表面垂直拉引方向波纹度曲线图 图中曲线显示，在大波纹度对应位置附近，周边 临近的玻璃表面波纹均较低，由于这种起伏，在镀 ＩＴＯ导电膜时会导致接触不良，降低显示效果或使产 品报废。同时也正是这种起伏，对接*行的投射光 线起到了局部聚光的作用，使图像出现失真，如图８ 所示： 图８玻璃起伏造成图像失真原理图 ３．３锡液成分分析 通过实验结果，发现大波纹主要在玻璃下表面， 而下表面与锡液接触，为了明确薄玻璃下表面形成较 重波纹的原因，我们从现场带回的金属锡液样品分析 结果人手，结合铁锡合金二元相图，找出不同温度下， 铁元素在锡液中的最大溶解度，对其进行综合分析， 进一步确定形成原因。对现场锡液样品成份进行ｘ 荧光光谱分析，测定结果如表３。 表３锡液成分分析结果 元素 纯强度／（Ｋｃｐｓ） 标准化浓度／（ｗｔ％） Ｓｎ ３１０．６２５ ９３．５ Ｓｉ １３．６６５ ５．３４ Ｆｅ ３．４９８ ０．４７３ Ａｌ ０．６４９ ０．３２９ Ｐｂ ２．０１９ ０．２５８ Ｃｌ Ｏ．２８１ ５７０ｐｐｍ Ｎｂ ０．９３９ ３００ｐｐｍ Ｓ ０．０９ １４０ｐｐｍ ｓｒ ０．１２４ ５１ｐｐｍ 铁在锡中的溶解度和铁锡二元合金相图如表４ 和图９所示。 表４铁在锡中的溶解度 ｌ温度／℃ ５００ ６００ ７００ ８００ ｌ ９００ ｌ１０００ １１００ １１２８ ｌ Ｆｅ／ｗｔ％ ０．０８２ ０．２２ ０．８ １．６ ２．８ ｌ ４ ８ ２０ ｍｏｌｅ Ｓ￣（Ｆｅ＋Ｓｎ１ 图９铁锡合金二元相图 ３．４波纹度成因分析 Ｆｅ在锡液样品中的含量为０．４７％，结合表４和图 ９可看出，温度在８００％ １０００％之间，铁元素的溶解 度在１．６％～４％，不能析出合金相；随着温度降低，锡 液中铁的溶解度下降，铁以合金形式存在，在锡槽出 口前的温度为６００℃左右，锡液中铁元素最大溶解度 为０．２２％，通过图９可知，在此温度下，多余的铁将以 ＦｅＳｎ形式析出，存在的固态合金相ＦｅＳｎ将悬浮在锡 槽出口三角区附近的锡液表面上，对即将离开锡液但 硬度尚不足以抵抗外来物侵人的玻璃下表面形成较 浅的“犁沟”作用，引起较大波纹。当在实际生产中 将锡槽内局部加温时，获得加温的相应部位的玻璃液 温度得到提升，同时带动相应区域的锡液温度提升， 锡液中Ｆｅ的溶解度也提升，固态析出物相应减少，波 纹度降低或消失。由此可以判断，下表面波纹是由锡 液中铁含量过高造成的。 ４总结 我国加工玻璃的产业化进程发展较快，无论是生 产规模，还是技术水平、产品质量，都有了大幅提升。 随着市场消费层次的不断升级，对玻璃提出了更高的 质量要求，特别是应用于电子信息产业中的超薄玻 璃，对玻璃的表面质量要求更为严格。通过不断的分 析总结，找出成形时可能引起表面波纹度的因素，在 生产过程中进行科学有效的调整，满足电子工业对基 板玻璃质量的苛刻要求，并实现超薄浮法玻璃稳定持 续的生产。 （下转第８页） 一５一 Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ＆Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｇｌａｓｓ Ｎｏ ２ ２０ １ ７ 表３四点支承玻璃板的弯矩系数ｍ ｌ ａ／ｂ １ ０．００ ｌ ０．２０ １ ０．３０ ｌ ０－４（】ｌ ０．５０ １ ０．５５ １ ０．６０ ｌ ０．６５ １ ０．７０ １ ０．７５ ０．８０ ０．８５ ０．９０ １ ０．９５ ｌ １．００ ｌ ｍ ｌ ｏ．１２５ １ ０．１２６ ｌ ｏ．１２７ ｌ ０．１２９ １ ０．１３０ ｌ ０．１３２ １ ０．１３４ ｌ ０．１３６ ｌ ０．１３８ １ ０．１４０ ０．１４２ ０．１４５ ｏ．１４８ １ ０．ｔ５１ ｌ ０．１５４ 注：ａ／ｂ是玻璃板短边与长边的长度之比。 表４四点支承板的挠度系数 注：ａ／ｂ是玻璃板短边与长边的长度之比。 式中：靠一在垂直于地板玻璃的荷载标准组合值 作用下最大挠度（ｍｍ）； 一的荷载作用下，单片玻璃跨中挠度可用有限元方法计 算，也可按下列公式计算： 垂直于该片地板玻璃的荷载标准组合值 （Ｎ／ｍｍ ）； 一譬 Ｄ－ 挠度系数，可根据玻璃短边与长边的长度之 一比按表２选用； 玻璃的刚度（Ｎｍｍ）； 玻璃的弹性模量，可按０．７２×１０ Ｎ／ｍｍ 取值； 式中： 广在垂直于该片地板玻璃的荷载标准值 作用下的挠度最大值（ｍｍ）； 垂直于该片地板玻璃的荷载标准组合值 （Ｎ／ｍｍ２）； 一Ｄ一泊松比，可按０．２取值。 ３．２四点支承地板玻璃设计计算 四点支承地板玻璃的单片玻璃最大应力可用有 限元方法计算，也可按下式计算： ６ｍｑｉｂ２ ＝ 一挠度系数，可根据玻璃支承点问短边与长边 的长度之比按表４选用； Ｄ一玻璃的刚度（Ｎｍｍ）； 一玻璃的弹性模量，可按０．７２×１０ Ｎ／ｍｍ 取值； 式中： 一第ｉ片玻璃的最大应力（Ｎ／ｍｍ ）； ｇ厂－作用于第ｉ片地板玻璃的荷载基本组合设计 值（Ｎ／ｍｍ ）； Ｄ一泊松比。 ４结束语 门窗和玻璃幕墙是建筑玻璃应用于建筑的四个 ６一支承点间玻璃面板长边边长（ｍｍ）； ｆ，一玻璃的厚度（ｍｍ）； 立面，采光顶是建筑玻璃应用于建筑的第五面，地板 玻璃可称为建筑玻璃应用于建筑的第六面，地板玻璃 的采用标志着建筑玻璃在建筑物上的全面应用。 弯矩系数，可根据支承点间玻璃板短边与长 边的长度之比按表３取值。 一夹层玻璃的挠度可按单片玻璃计算，但在计算玻 璃刚度Ｄ时，应采用等效厚度ｔ 。在垂直于玻璃平面 （上接第５页） 参考文献 …王军，赵玉军等．液晶显示器基板玻璃质量的研究Ｕ１．国外 【５】于深，张宇干．直线电机锡液搅拌装置在浮法玻璃生产线上 的开发和应用 社．２０１２．７：３９ 中国建材．２００４，２：７７ 建材科技．２００８，２９（６）：３０～３３ 【６】周美茹．玻璃成形退火操作与工艺Ｉｍ１．化学工业出版 【２】刘志刚．锡槽温度制度的合理控制对薄浮法玻璃质量的影 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