Содержание
- Физическая природа оптической анизотропии
- Механизм формирования анизотропии при закалке
- Факторы влияния на выраженность эффекта
- Методы измерения двулучепреломления
- Поляриметрия в контроле качества стекла
- Технологические приёмы минимизации анизотропии
- Нормативный статус и стандарты
- Часто задаваемые вопросы
Физическая природа оптической анизотропии
Анизотропия закалённого стекла представляет собой оптическое явление, проявляющееся в виде визуальных искажений - цветных полос, пятен или колец различной формы, видимых при определённых условиях освещения и угла обзора. С физической точки зрения, это явление обусловлено эффектом двулучепреломления, возникающим в результате неоднородного распределения остаточных напряжений в толще стекла после термической обработки.
Обычное отожжённое стекло является изотропным материалом, то есть его оптические свойства одинаковы во всех направлениях. При прохождении света через такой материал скорость распространения световой волны постоянна независимо от направления. Однако при создании механических напряжений в стекле оно приобретает анизотропные свойства. Световой луч в напряжённом стекле расщепляется на два луча, которые распространяются с различными скоростями вдоль направлений главных напряжений.
Согласно закону Вертгейма, изменение показателя преломления в стекле пропорционально приложенным механическим напряжениям. Для поляризованных световых волн, проходящих через напряжённое стекло, показатели преломления в направлениях, параллельном и перпендикулярном механическому напряжению, определяются как n∥ = n₀ + Δn∥ и n⊥ = n₀ + Δn⊥, где n₀ - показатель преломления изотропной среды, а Δn∥ и Δn⊥ - изменения показателя преломления под действием напряжения.
Для натрий-кальций-силикатного стекла, которое применяется в большинстве строительных конструкций, фотоупругая постоянная (стресс-оптический коэффициент) составляет приблизительно 2,5×10⁻¹² Па⁻¹ при длине волны 545 нм. Эта величина определяет чувствительность материала к возникновению напряжённого двулучепреломления и используется при количественной оценке остаточных напряжений методами поляриметрии.
Механизм формирования анизотропии при закалке
Процесс закалки стекла состоит из двух основных этапов: контролируемого нагрева до температуры 650-680°C и последующего быстрого охлаждения потоками воздуха под высоким давлением. Именно на этапе охлаждения формируются остаточные напряжения, обеспечивающие повышенную механическую прочность закалённого стекла, но одновременно создающие предпосылки для возникновения оптической анизотропии.
При быстром охлаждении наружные слои стекла остывают значительно быстрее внутренних. Когда поверхность затвердевает, внутренние слои ещё находятся в пластичном состоянии и продолжают сжиматься при дальнейшем охлаждении. Это приводит к формированию характерного профиля напряжений: сжимающие напряжения в поверхностных слоях (обычно на глубине 1/6-1/7 толщины с каждой стороны) и компенсирующие их растягивающие напряжения в центральной зоне.
Неравномерность охлаждения как ключевой фактор
Технологически невозможно обеспечить абсолютно равномерное охлаждение всей поверхности стекла. Охлаждение осуществляется через систему сопел, через которые компрессорами нагнетается воздух. Это приводит к зональности распределения интенсивности теплоотвода. Области стекла, расположенные непосредственно под соплами, охлаждаются более интенсивно, чем промежуточные зоны между соплами.
Относительное замедление δ (разность оптического хода) в двумерной задаче рассчитывается по формуле:
δ = C × (σ₁ - σ₂) × d
где:
C - фотоупругая постоянная (для натрий-кальций-силикатного стекла ≈ 2,5×10⁻¹² Па⁻¹)
σ₁ и σ₂ - главные напряжения, Па
d - толщина стекла, м
Разность оптического хода измеряется в нанометрах на сантиметр (нм/см) и является основной метрической величиной для оценки двулучепреломления.
Дополнительно, при перемещении стекла через печь и зону охлаждения на керамических роликах, ролики оказывают локальное охлаждающее воздействие на нижнюю поверхность стекла в местах контакта. Это создаёт характерные линейные паттерны напряжений, ориентированные перпендикулярно направлению движения стекла.
Влияние температурного градиента
Чем выше температура стекла перед началом охлаждения и чем интенсивнее охлаждение, тем больше градиент температур между поверхностью и центром, и тем выше уровень остаточных напряжений. При этом локальные неоднородности в температурном поле, возникшие на стадии нагрева, сохраняются и усиливаются в процессе закалки, трансформируясь в неоднородности напряжённого состояния.
Факторы влияния на выраженность эффекта
Степень проявления оптической анизотропии зависит от множества технологических и конструктивных параметров процесса термообработки стекла.
| Фактор | Влияние на анизотропию | Характер воздействия |
|---|---|---|
| Толщина стекла | Прямая зависимость | С увеличением толщины (8-15 мм) эффект становится более выраженным из-за большей разности температур по сечению |
| Температура нагрева | Сложная зависимость | Слишком высокая температура увеличивает неравномерность; недостаточная - не обеспечивает требуемого напряжения |
| Время выдержки в печи | Обратная зависимость | Увеличение времени нагрева при пониженной температуре улучшает равномерность прогрева |
| Давление воздуха охлаждения | Прямая зависимость | Чрезмерное давление усиливает неравномерность теплоотвода |
| Конфигурация сопел | Определяющая роль | Расположение, диаметр и угол наклона сопел критически влияют на паттерн анизотропии |
| Скорость движения стекла | Обратная зависимость | Медленное движение с минимизацией остановок снижает формирование характерных полос |
| Тип покрытия | Усиление эффекта | Низкоэмиссионные покрытия требуют асимметричного режима нагрева, что увеличивает анизотропию |
Условия визуализации анизотропии
Видимость эффекта анизотропии существенно зависит от условий наблюдения. Наиболее заметен этот эффект при следующих обстоятельствах:
- Угол обзора от 45° до 60° к плоскости стекла
- Наличие поляризованного света в условиях наблюдения
- Низкий угол падения солнечных лучей (2-3 часа до заката)
- Отражение света от водных поверхностей (объекты у моря, озёр)
- Использование поляризационных очков наблюдателем
Естественный дневной свет содержит компоненту поляризованного излучения, возникающую за счёт рассеяния в атмосфере и отражения от различных поверхностей. Количество поляризованного света варьируется в зависимости от погодных условий, времени суток и географического положения объекта.
Методы измерения двулучепреломления
Количественная оценка оптической анизотропии закалённого стекла осуществляется с использованием методов поляризационной оптики, основанных на явлении фотоупругости - изменения оптических свойств прозрачных материалов под действием механических напряжений.
Метод де Сенармона
Один из наиболее распространённых методов измерения напряжённого двулучепреломления. Метод основан на использовании поляризатора, четвертьволновой пластинки и анализатора. Поляризованный свет проходит через образец стекла, испытывает изменение плоскости поляризации пропорционально величине двулучепреломления, затем проходит через четвертьволновую пластинку. Угол поворота анализатора, необходимый для достижения погасания света, прямо пропорционален разности оптического хода в образце.
Измерения обычно проводятся на длине волны 545 нм (зелёный цвет, соответствующий максимуму чувствительности человеческого глаза), что обеспечивает наилучшую точность определения и соответствует международным стандартам испытаний оптического стекла.
Поляризационный метод тёмного поля
Образец стекла помещается между двумя скрещенными поляризаторами (поляризатор и анализатор расположены под углом 90° друг к другу). В отсутствие напряжений свет полностью гасится, и наблюдается тёмное поле. При наличии напряжений в стекле часть света проходит через систему, и в скрещенных поляризаторах становятся видны цветные интерференционные картины, соответствующие распределению напряжений.
| Метод измерения | Принцип действия | Точность | Область применения |
|---|---|---|---|
| Метод де Сенармона | Измерение угла поворота анализатора для компенсации оптической разности хода | ± 2-5 нм/см | Лабораторный контроль, точные измерения |
| Метод Фриделя | Наблюдение интерференционных полос в монохроматическом свете | ± 5-10 нм/см | Визуализация распределения напряжений |
| Круговой поляриском | Использование циркулярно поляризованного света для устранения влияния ориентации образца | ± 3-7 нм/см | Измерение остаточных напряжений в деталях сложной формы |
| Онлайн-поляриметрия | Непрерывное измерение оптического замедления в процессе производства | ± 10-20 нм/см | Технологический контроль качества на линии закалки |
Компенсаторы Бабине
Для количественной оценки величины двулучепреломления применяются компенсаторы - оптические устройства, создающие известную разность оптического хода, которая может регулироваться. Компенсатор Бабине состоит из двух клиновидных призм из оптически анизотропного материала. Перемещая одну призму относительно другой, можно плавно изменять толщину двулучепреломляющего слоя и, соответственно, вносимую разность хода.
При исследовании образца стекла компенсатор устанавливается так, чтобы создаваемая им разность хода компенсировала разность хода, вносимую напряжениями в стекле. Положение компенсатора, при котором достигается компенсация, позволяет рассчитать величину двулучепреломления и соответствующий уровень напряжений в материале.
Поляриметрия в контроле качества стекла
Поляриметрия представляет собой совокупность методов измерения и анализа изменений состояния поляризации света при взаимодействии с исследуемым материалом. В стекольной промышленности поляриметрические методы являются основным инструментом неразрушающего контроля качества термообработанного стекла.
Принцип работы поляриметрической системы
Современная система поляриметрического контроля включает источник света, поляризационную оптику, держатель образца и детектор излучения. Поляризованный свет, проходя через образец закалённого стекла с неоднородным распределением напряжений, изменяет свою поляризацию. Анализ этих изменений позволяет определить распределение напряжений по площади стекла и количественно оценить степень двулучепреломления.
Онлайн-системы контроля анизотропии
С 2016 года в промышленности начали применяться автоматизированные системы визуализации и количественной оценки анизотропии в режиме реального времени непосредственно на линии закалки. Эти системы базируются на фотоупругом методе и позволяют для каждого листа стекла получать числовые характеристики оптического замедления.
Онлайн-поляриметры устанавливаются после зоны охлаждения и проводят сканирование стекла с использованием матрицы фотодетекторов. Полученные данные обрабатываются специализированным программным обеспечением, которое рассчитывает распределение оптической задержки и строит цветовую карту анизотропии. Система автоматически выявляет листы с чрезмерным уровнем анизотропии и может интегрироваться с системой управления печью для корректировки технологических параметров.
Интерпретация результатов измерений
Результаты поляриметрических измерений представляются в виде карт распределения оптической задержки, где различные уровни двулучепреломления обозначаются цветами. Типичные значения оптического замедления для качественного закалённого стекла находятся в диапазоне от 10 до 100 нм/см в центральной области листа, с возможным увеличением до 200-300 нм/см в краевых зонах.
- Параллельные полосы, ориентированные поперёк направления движения стекла - индикатор неравномерности охлаждения роликами
- Хаотичные пятна (леопардовые пятна) - нормальное распределение для горизонтально закалённого стекла
- Концентрические кольца - характерны для моллированного (гнутого) закалённого стекла
- Регулярный сетчатый паттерн - отражает геометрию расположения охлаждающих сопел
Важно понимать, что абсолютное исключение анизотропии технологически невозможно. Цель производителя - минимизировать её проявление до уровня, при котором эффект становится малозаметным в реальных условиях эксплуатации фасадного остекления.
Технологические приёмы минимизации анизотропии
Снижение выраженности оптической анизотропии достигается комплексом мероприятий, направленных на обеспечение максимальной равномерности нагрева и охлаждения стекла в процессе термообработки.
Оптимизация режима нагрева
Первостепенное значение имеет равномерность температурного поля стекла перед началом охлаждения. Для её достижения применяются следующие технологические решения:
- Снижение температуры печи с одновременным увеличением времени нагрева - более медленный прогрев позволяет стеклу достичь однородной температуры по толщине и площади листа. Недостатком является увеличение длительности цикла и снижение производительности линии.
- Увеличение длины осцилляции - стекло перемещается в печи возвратно-поступательно для усреднения температурного воздействия. Максимизация амплитуды колебаний снижает влияние локальных неоднородностей нагрева.
- Применение функции "ползучего" движения - постоянное медленное перемещение стекла без остановок исключает формирование холодных зон в местах длительного контакта с роликами.
- Чередование точек остановки - если остановки неизбежны, их положение варьируется для разных циклов, что предотвращает образование повторяющихся паттернов.
Совершенствование системы охлаждения
Конструкция системы охлаждения оказывает определяющее влияние на итоговый паттерн анизотропии. Современные закалочные линии оснащаются специально разработанными системами подачи воздуха.
| Технологическое решение | Техническая реализация | Достигаемый эффект |
|---|---|---|
| Оптимизированная геометрия сопел | Диаметр 4,5-6 мм, расстояние до стекла 4-5 диаметров сопла, угол наклона 5-10° | Более равномерное распределение потока воздуха, снижение зональности охлаждения |
| Система смещённого расположения сопел | Сопла на верхней и нижней панелях смещены относительно друг друга | Исключение формирования параллельных линий высокого градиента |
| Регулируемые крышки сопел | Подвижные элементы, изменяющие эффективное сечение сопел | Возможность локальной корректировки интенсивности охлаждения |
| Адаптивное управление давлением | Автоматическая регулировка давления в зависимости от температуры воздуха и толщины стекла | Компенсация изменений внешних условий, стабилизация результата |
| Оптимизация первой точки остановки | Минимизация температуры стекла при первой остановке в зоне охлаждения (ниже 400°C) | Снижение формирования горизонтальных полос от контакта с роликами |
Эксплуатационные меры
Стабильность качества закалённого стекла требует систематического технического обслуживания оборудования:
- Регулярная очистка охлаждающих сопел от загрязнений, которые могут блокировать отдельные каналы и нарушать симметрию воздушного потока
- Контроль состояния нагревательных элементов печи - неработающие нагреватели создают холодные зоны, усиливающие неравномерность прогрева
- Проверка и замена изношенных керамических роликов, которые при повреждении увеличивают теплоотвод в местах контакта
- Периодическая калибровка датчиков температуры и систем контроля для обеспечения точности регулирования процесса
Особенности обработки стекла с покрытиями
Низкоэмиссионные и солнцезащитные покрытия обладают различной излучательной способностью по сравнению с чистым стеклом. Это требует применения асимметричных режимов нагрева - усиленного нагрева со стороны покрытия для компенсации меньшего поглощения излучения. Для минимизации анизотропии в таких случаях может применяться дополнительная конвективная система на стороне покрытия в зоне нагрева печи.
Нормативный статус и стандарты
Нормативное регулирование оптической анизотропии закалённого стекла имеет важное значение для разрешения споров между производителями и заказчиками. Действующие стандарты однозначно определяют статус этого явления.
Российские стандарты
ГОСТ 30698-2014 "Стекло закалённое. Технические условия" (действует с 1 апреля 2016 года, взамен ГОСТ 30698-2000) содержит следующие положения относительно анизотропии:
Пункт 5.1.1 устанавливает: "На поверхности стекла могут наблюдаться радужные пятна (так называемые леопардовые пятна), наиболее заметные под острым углом к поверхности стекла или в поляризованном свете. Данное явление не является дефектом."
Стандарт соответствует европейским нормам EN 12150-1:2000 "Стекло в строительстве. Закалённое натрий-кальций-силикатное безопасное стекло. Часть 1. Определение и описание" и EN 12150-2:2004 "Часть 2. Оценка соответствия".
Европейские стандарты
EN 12150-1:2000 в разделе 9.2 "Анизотропия (иридесценция, радужный эффект)" указывает: "Процесс термоупрочнения создаёт различные напряжения в теле стекла. Эти области напряжений создают эффект двулучепреломления в стекле, который видим в поляризованном свете."
ГОСТ EN 14179-1-2015 "Стекло закалённое термовыдержанное. Технические требования" для термоупрочнённого стекла также признаёт анизотропию неотъемлемым свойством термически обработанного стекла, не классифицируя её как дефект. Отмечается, что при рассмотрении в поляризованном свете участки с повышенным напряжением выглядят как цветные зоны (леопардовые пятна).
Отсутствие количественных критериев
Существующие стандарты не устанавливают количественных критериев допустимого уровня анизотропии. Отсутствуют нормативы максимально допустимой величины оптического замедления или требования к однородности распределения двулучепреломления по площади изделия.
Начиная с 2018 года в США и Европе сформированы рабочие группы специалистов, занимающиеся разработкой количественных стандартов для оценки анизотропии. Цель работы - создание объективных метрик и методик измерения, которые позволят стандартизировать требования к визуальному качеству закалённого стекла в архитектурных применениях.
| Стандарт | Область применения | Статус анизотропии |
|---|---|---|
| ГОСТ 30698-2014 | Закалённое строительное стекло | Не является дефектом, естественное свойство |
| ГОСТ EN 14179-1-2015 | Термовыдержанное закалённое стекло | Неизбежное следствие термообработки |
| EN 12150-1:2000 | Закалённое безопасное стекло (ЕС) | Оптический эффект, присущий процессу |
| ASTM C1048 | Термоупрочнённое и закалённое стекло (США) | Характеристика материала, не дефект |
| ГОСТ 24866-2014 | Стеклопакеты клеёные | Допускается, не считается дефектом (п.5.1.6.2, п.9.20) |
Практические рекомендации по контрактным отношениям
Учитывая отсутствие количественных нормативов и субъективность восприятия анизотропии, рекомендуется на стадии проектирования и заключения договоров:
- Согласовывать с производителем предоставление образцов-макетов стекла, соответствующих планируемому качеству
- Оговаривать условия приёмки продукции с учётом естественного характера анизотропии
- При использовании онлайн-систем контроля - устанавливать допустимые числовые значения оптического замедления
- Учитывать архитектурные особенности объекта (ориентация фасада, близость водоёмов, преобладающие условия освещения)
Некоторые производители на добровольной основе внедряют внутренние стандарты качества, более строгие чем требования ГОСТ, ограничивая максимальную величину оптического замедления и требуя большей однородности паттерна анизотропии.
Часто задаваемые вопросы
Отказ от ответственности
Настоящая статья носит исключительно информационный и ознакомительный характер. Материал предназначен для повышения общего технического уровня знаний специалистов в области обработки стекла и не является руководством к действию, технологической инструкцией или проектной документацией.
Автор не несёт ответственности за последствия применения изложенной информации в практической деятельности. Любые технологические решения должны приниматься квалифицированными специалистами с учётом конкретных условий производства, требований действующих нормативных документов и рекомендаций изготовителей оборудования.
Для внедрения технологических изменений на производстве необходима консультация с производителем оборудования и проведение опытно-промышленных испытаний.
Источники
- ГОСТ 30698-2014 "Стекло закалённое. Технические условия". Межгосударственный стандарт. Введён в действие с 01.04.2016.
- ГОСТ EN 14179-1-2015 "Стекло закалённое термовыдержанное. Технические требования". Межгосударственный стандарт.
- ГОСТ EN 572-1-2016 "Стекло натрий-кальций-силикатное. Основные характеристики". Межгосударственный стандарт.
- EN 12150-1:2000 "Glass in building - Thermally toughened soda lime silicate safety glass - Part 1: Definition and description". European Standard.
- Вяткин А.Г. "Технология стекла и ситаллов". Учебное пособие. СПбГТИ(ТУ), 2017.
- Schott Technical Information TIE-27 "Stress in optical glass". Schott AG, 2004.
- Valtonen K., Siljander T., Järvinen E. "Influence of Cooling Jets on Stress Pattern and Anisotropy in Tempered Glass". Glass Technology: European Journal of Glass Science and Technology Part A, 2020.
- Decourcelle R., Kaminski G., Serruys F. "Controlling anisotropy in heat-treated glass". Glass Performance Days, 2017.
