Широкий ассортимент подшипников ведущих мировых производителей. SKF, FAG, INA, NSK, TIMKEN
Направляющие, каретки, шарико-винтовые передачи для станков и автоматизации
Изготовление нестандартных деталей и узлов по чертежам заказчика
Консультации инженеров, помощь в подборе аналогов, расчёт ресурса
На подшипники NSK
Уже доступен
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.
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.
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.
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.
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.
Степень проявления оптической анизотропии зависит от множества технологических и конструктивных параметров процесса термообработки стекла.
Видимость эффекта анизотропии существенно зависит от условий наблюдения. Наиболее заметен этот эффект при следующих обстоятельствах:
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
Снижение выраженности оптической анизотропии достигается комплексом мероприятий, направленных на обеспечение максимальной равномерности нагрева и охлаждения стекла в процессе термообработки.
Первостепенное значение имеет равномерность температурного поля стекла перед началом охлаждения. Для её достижения применяются следующие технологические решения:
Конструкция системы охлаждения оказывает определяющее влияние на итоговый паттерн анизотропии. Современные закалочные линии оснащаются специально разработанными системами подачи воздуха.
Стабильность качества закалённого стекла требует систематического технического обслуживания оборудования:
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.
Нормативное регулирование оптической анизотропии закалённого стекла имеет важное значение для разрешения споров между производителями и заказчиками. Действующие стандарты однозначно определяют статус этого явления.
ГОСТ 30698-2014 "Стекло закалённое. Технические условия" (действует с 1 апреля 2016 года, взамен ГОСТ 30698-2000) содержит следующие положения относительно анизотропии:
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".
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).
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.
Учитывая отсутствие количественных нормативов и субъективность восприятия анизотропии, рекомендуется на стадии проектирования и заключения договоров:
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.
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.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.