李洋  唐健正

 

　　本文论述了影响真空玻璃真空寿命的主要因素，说明选材，真空排气工艺及置入吸气剂是影响真空寿命的关键因素。

关键词：真空玻璃，真空材料，吸气剂

 

　　真空玻璃在国内面市以来，以其优异的性能，吸引了社会各界越来越多的关注，对于真空玻璃高超的隔热、隔声性能通过权威部门检测，已被社会各界广泛认可。但是，真空玻璃的寿命如何呢？它的内部真空度可以保持多长时间？能否如对建筑寿命要求的一样达到五十年？本文对影响真空玻璃的真空寿命的几个主要因素进行分析。

　　

一、 真空玻璃组成材料的选择

　　真空玻璃结构如图1所示，由上下片玻璃，封边玻璃钎焊料，支撑柱，吸气剂几部分组成。构成静态真空器件（如显像管、电子管、电热丝发光灯炮、真空玻璃等）的材料（包括真空腔体材料、封接材料和内置材料）必须是经严格选择的“真空材料”，真空玻璃所选用的浮法玻璃、不锈钢，玻璃钎焊料都是很好的真空材料。

　　

图1.真空玻璃的基本结构

1．浮法玻璃

     这部分主要从玻璃的渗透性与玻璃材料的放气两方面来论述。

1)玻璃的渗透性

　　气体对玻璃的渗透以分子态进行，渗透过程与气体分子的大小和玻璃内部的微孔大小有关［1］。制作真空玻璃的浮法玻璃由于其中的碱性氧化物（Na2O、K2O、CaO等）在向Si-O骨架贡献了氧原子后，即以正离子的形式处于Si-O网格中，阻塞了分子的渗透孔道，所以，空气中只有直径最小的氦（He）分子有微量渗透。因此渗透的气体量对真空玻璃内部真空度的影响可以忽略。

2）玻璃的放气

　　玻璃材料在高温与光照的作用下，表面会释放出气体，放气量与玻璃的烘烤排气温度有关，悉尼大学真空玻璃研究组就真空玻璃在高温与光照下的气体释放进行了深入研究[2]，其结果和我们的实验结果一致。即通过采用高温排气的方式，可以大大降低玻璃的放气量。

①高温条件下真空玻璃内表面放气

　　图2是真空玻璃的高温老化数据曲线，老化条件为： 150℃，115天。图a)中为经150℃烘烤除气的真空玻璃，内部压强从6.65×10-2上升到6.65Pa；图b)为经350℃烘烤除气的真空玻璃，经过相同的高温老化过程，内部压强只上升了1.33×10-1Pa。经四极质谱仪分析识别，放出的气体主要是水蒸气，还有小部分的二氧化碳及非常少的一氧化碳。测试结果充分说明，可以通过采用较高温度（＞350℃）烘烤排气来减少真空玻璃内表面因受热而产生的放气，确保真空度不因受热而降低。

 

           图2.分别在150℃和350℃进行烘烤排气的两块真空玻璃样片在高温老化过程中温度

               与内部压强随时间的变化曲线

②光照条件下气体的释放

　　图3是光照老化数据曲线。图a)为经150℃烘烤排气的真空玻璃样片，在室外曝晒的过程中，样片的内部压强上升了约1.33Pa。图b)为经350℃烘烤排气的样片，内部压强上升不到1.33×10-1Pa。经四极质谱仪分析识别，光照下放出的大部分气体是二氧化碳和一氧化碳，没有水蒸气。

　　

图3.分别在150℃和350℃进行烘烤排气的两块真空玻璃样片在光照老化过程中内部压强随时间的变化曲线

　　经过高温烘烤排气后的玻璃放气率约为，并且大量测量数据表明，放气率10小时即下降一个数量级，一天能下降两个数量级。可见，高温烘烤排气也可确保真空度不因光照而降低。

2．封边材料

     真空玻璃所选用的封边材料是广泛应用于电子显像管、VFD、PDP等电真空器件的玻璃钎焊料，熔封后形成玻璃态，本身气体渗透率和放气率都很低，经过理论与长期的应用实践，证明其具有非常优异的真空封接性能。

3．支撑柱

　　真空玻璃支撑柱的材料采用的是不锈钢，不锈钢是真空器件最常用的材料，具有非常好的真空性能。经过真空烘烤3～5小时（300～450℃）不锈钢的常温出气速率1小时内为10-9～10-10量级，10小时为10-10～10-11量级。并且长期出气速率的趋势是逐渐降低的［3］。

　　

二、真空玻璃加工工艺的保证

1．支撑物处理

　　对支撑物，经过超声清洗及脱脂处理；封口之前经过约1小时350℃左右的真空脱气。经过这样的处理过程，可以大大降低其出气速率。

2．高温烘烤除气工艺

   通过前面玻璃放气部分的论述，可以证明高温排气可以大大降低玻璃在使用过程中的放气量。所以真空玻璃在制做过程中会经过约350℃的真空烘烤排气。

  

三、吸气剂的应用

　　对经过高温烘烤排气的真空玻璃样片进行长时间的曝晒试验，经测量后发现有一部分真空玻璃的热导值仍有一定幅度的升高。为使真空度更稳定，应该在真空玻璃中放置吸气剂，从而延长真空玻璃的使用寿命。

　　吸气剂也叫消气剂，在电真空器件和真空科技领域它是指一种能吸收气体的材料。其主要作用是：在短时间内提高真空空间的真空度，并在长时间内维持所要求的真空度。

　　由于真空玻璃在封边过程中经过450℃以上的高温加热，在大气中如此高的温度下吸气剂还未激活就已经氧化失效，这是要解决的一个难题。经过吸气剂生产厂家检测，即使是高温激活型吸气剂，经过这样的加热过程后，吸气量只约有原来的10%。多年来我们进行了大量的试验，选取多种方案，制成样片后进行长时间曝晒，根据跟踪测试数据分析吸气剂的效果，确定吸气剂用于真空玻璃的方案。为防止吸气剂在封边时氧化，须将吸气剂在真空状态下激活并包封，包封盒材料为特种金属薄片或玻璃，真空玻璃在大气中进行“封边”时，被“包封”的吸气剂不会氧化失效。在抽真空并封离后，通过“解封”把包封盒打开，使吸气剂工作。这一发明已经申请了专利[4]、[5]、[6]。近年来，国内外厂家试制成一些耐高温的吸气剂，可以不包封而直接使用，正在对这些新产品进行严格测试。

     吸气剂吸气量与玻璃放气量的计算［3］。

 ①玻璃放气量的计算

经过烘烤除气的玻璃的放气率约为：

 

1m2真空玻璃的放气率为：

 

大量测量数据表明，放气率10小时即下降一个数量级，一天能下降两个数量级，因此1m2真空玻璃50年的放气量。

②吸气剂吸气量的计算

选用非蒸散型吸气剂，吸气速率约为，有效吸气面积为0.6m2，吸气量约为2

则所使用吸气剂的吸气量

可见

　　所以经过高温烧烤排气并含有吸气剂的真空玻璃，可以具有50年的真空寿命。

　　

四、真空玻璃实测情况

　　 图4为真空玻璃热导的长期测量曲线，为了研究真空玻璃的使用寿命，试验中制做了大量的样片，长年置于室外进行暴晒，并定期测量真空玻璃的热导。图4为典型样片的热导变化情况。

　　　注：1．样片为2005年6月份制作,之后一直放在室外进行曝晒。

2．图中所示热导为测量热导。当时所使用的样片发射率为：普通玻璃：0.84；镀膜玻璃：0.20。 理论测量值为1.35。K值为1.13Wm-2K-1。    

          3．目前生产所采用的镀膜玻发射率为0.1，K值为0.82。若采用发射率为0.04的膜玻，则K值可达到0.68 Wm-2K-1。

 

图4真空玻璃热导变化曲线

　　通过对比图中曲线可知，经过六年多的曝晒，含有包封吸气剂的真空玻璃的热导值始终合理地在理论值上下小幅波动，但并无增大趋势。

　　

五．应用工程情况

　　到目前为止，真空玻璃已应用于30多项工程，如已竣工8年的乐澜宝邸俱乐部，已竣工6年的清华大学超低能耗楼，已竣工5年多的天恒大厦等，虽然当时都还没有置入吸气剂，但绝大多数玻璃质量一直是稳定的。

　　通过对真空玻璃材料、工艺、吸气剂的使用、实际测量、以及应用工程几方面的论述可见，真空玻璃的使用寿命达到50年是完全可能的。目前，新立基公司正在北京亦庄经济技术开发区建设一条年产5万m2真空玻璃的自动化连续化生产线，新线采用新工艺，新设备，将生产出高性能长寿命的真空玻璃来满足我国建筑节能减排的要求。