Dostosowanie cienkiego szkła do użycia w architekturze

Szczegóły: Kategoria: Wydanie 11/2019; Opublikowano: 11 listopad 2019

Cienkie szkło jest produktem wybieranym do wyświetlaczy urządzeń elektronicznych. Szkło to jest zwykle drogim szkłem glinokrzemianowym, którego właściwości stają się znacznie lepsze po hartowaniu chemicznym.

Firma AGC opracowała niedawno specjalną kompozycję szkła (nazwa handlowa: Falcon glassTM), które można wytwarzać za pomocą standardowej linii float i dla którego hartowanie chemiczne jest bardzo skuteczne.

2019 11 44 1

Rys. 1a. Schemat wymiany jonowej w czasie hartowania chemicznego i powstanie naprężeń wstępnych w warstwach powierzchniowych tafli szkła

Czynniki ograniczające użycie cienkiego szkła w architekturze
W ostatniej dekadzie hartowane chemicznie (CT), cienkie szkło glinokrzemianowe (ASG) było szeroko stosowane na wyświetlaczach na dynamicznie rozwijającym się rynku smartfonów i tabletów. Szkło glinokrzemianowe jest zwykle wytwarzane w procesie rozlewania stopionej masy szklarskiej lub ciągnienia w dół, co pozwala wytwarzać szkło o grubości zaledwie 0,1 mm.

Proces chemicznego hartowania polega na zanurzeniu tafli szkła w kąpieli stopionej soli KNO3 (w temperaturze około 400-460°C) przez określony czas (zwykle od 1 do 24 godzin) [1]. Warunki podczas chemicznego hartowania sprzyjają temu, aby jony K+ występujące w kąpieli mogły zastąpić mniejsze jony Na+ w strukturze szkła. Większe jony potasu zajmujące miejsce jonów sodu powodują kompresję (sprężenie) na powierzchni szkła – czyli powstanie w warstwach powierzchniowych naprężeń ściskających, które mogą osiągnąć wartość nawet 1000 MPa [2].

Wysoka kompresja powierzchniowa (wstępne naprężenia powierzchniowe) wraz z bardzo małą grubością tafli szklanej wzbudziły zainteresowanie inżynierów, architektów i badaczy, którzy rozważają wykorzystanie potencjału tego materiału w architekturze.

Overend i in. [3] badali wytrzymałość i właściwości po złamaniu (pęknięciu) laminowanego zestawu zawierającego arkusze cienkiego szkła glinokrzemianowego hartowanego chemicznie (CT-ASG) jako warstwy zewnętrzne i konwencjonalne szkło sodowo- wapniowo-krzemianowe (SLSG) w rdzeniu (warstwa środkowa).

Lambert i O’Callaghan [4] zidentyfikowali trzy możliwe obszary zastosowań cienkiego szkła:

- płyty laminowane, w których jedna lub więcej warstw jest wykonana z cienkiego szkła o wysokiej wytrzymałości (na przykład jako szkło odporne na wybuch);

- gięte na zimno panele szklane;

- struktury rozciąganych membran.

Smukłość paneli szklanych umożliwia zastosowanie ich jako ruchomych elementów elewacji, takich jak ruchome zadaszenia [5] lub samoadaptujące się panele elewacyjne [6].

2019 11 44 1ab

Rys. 1b. Potencjał naprężeń ściskających w warstwach powierzchniowych i narastanie głębokości obudowy podczas wymiany jonów dla szkła SLSG, ASG i FalconTM

Badania eksperymentalne wykorzystania wytrzymałości mechanicznej szkła przy ograniczeniu jego deformacji wykonał Akilo [7], który połączył płytę laminowaną z cienkiego szkła CT-ASG z rdzeniem z tworzywa sztucznego drukowanym na drukarce 3D oraz Guidi [8], który poddał procesowi gięcia na zimno wyrobu skonstruowanego przez Akilo.

Istnieją jednak dwa główne powody, dla których cienkie szkło nie „rozkwitło” jeszcze w świecie architektury:

- szkło glinokrzenianowe (ASG) jest zbyt drogie;

- brak jest pewności co do długoterminowej wytrzymałości szkła hartowanego chemicznie (CT).

Szkło glinokrzenianowe (ASG) jest zbyt drogie, ponieważ surowce potrzebują do topienia znacznie wyższej temperatury niż szkło sodowo-wapniowo--krzemianowe (SLSG), co oznacza, że piec wymaga materiałów ogniotrwałych o wyższej jakości (tj. droższych), a jego żywotność jest krótsza niż w przypadku standardowego pieca do standardowego szkła float. Ponadto wydajność produkcji jest znacznie niższa w porównaniu do standardowej linii float.

Szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe (SLSG) nie zyskuje z wymiany jonowej tak bardzo, jak szkło glinokrzenianowe (ASG). Datsiou i Overend [9] przetestowali sztucznie starzone szkło CT SLSG (hartowane chemicznie szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe), stwierdzając znaczny spadek wytrzymałości, ze względu na sztucznie generowane wady, większe niż głębokość otuliny (powierzchniowej warstwy szkła w której występują wstępne naprężenia ściskające) mającej grubość tylko 25-30 μm [10].

Jednak głębokość otuliny w szkle CT ASG może wynosić nawet 100 μm [11], co sugeruje, że takie szkło byłoby znacznie bardziej niezawodne w przypadku starzenia. Jednak do tej pory nie zostało szeroko przetestowane.

Stąd pojawiło się pytanie: czy istnieje cienkie szkło tańsze niż szkło ASG, ale zdolne do wytworzenia naprężeń wstępnych przy głębokości obudowy większej niż w szkle SLSG?

Falcon glass^TM
Szkło Falcon glassTM (FG) jest produkowane przez firmę AGC na standardowej linii float. Ma specyficzny skład chemiczny, który jest specjalnie dostosowany, aby zmaksymalizować jego właściwości mechaniczne po hartowaniu chemicznym, przy jednoczesnym utrzymaniu temperatur topnienia zgodnych ze standardowym procesie float. Szkło Falcon glassTM (FG) produkowane jest w grubościach 0,5, 0,7, 1, 1,1, 1,3, 1,6, 2,0, 2,1, 3 i 4 mm.

Potencjał szkła Falcon glassTM (FG) w zakresie kompresji powierzchniowej i głębokości otuliny w porównaniu ze szkłami ASG i SLSG pokazano na rys. 1. Można zauważyć, że właściwości tego szkła przewyższają znacznie właściwości szkła SLSG i czę-

ściowo pokrywają się z właściwościami szkła ASG, oferując niespotykany kompromis między kosztem a wydajnością hartowania chemicznego.

Różnice własności chemicznych między stroną cynową a stroną powietrzną tafli szkła float wpływają na szybkość wymiany jonowej, dlatego konieczne jest przeciwdziałanie wygięciu (deformacji) tafli szkła w celu zrównoważenia reakcji i zapewnienia płaskości tafli szkla po wymianie jonowej, co pokazano na rys. 2. Podsumowanie właściwości szkła FG przedstawiono w tabeli 1.

Istnieje kilka wyzwań w przetwarzaniu cienkiego szkła, które należy wziąć pod uwagę:
- cięcie i szlifowanie;
- powlekanie;
- laminowanie.

2019 11 44 2

Rys. 2. Różnica między szkłem poddanym obróbce zabezpieczającej przeciw wypaczeniu (wygięciu) i szkłem bez tej obróbki

Możliwe jest ręczne cięcie cienkiego szkła, ale potrzebne jest specyficzne dla niego oprzyrządowanie i płaskie, pełne (bez otworów), sztywne podłoże. Aby zapewnić dobrą jakość krawędzi, zaleca się stosowanie technik zapewniających dobre wykończenie krawędzi bez dalszej obróbki (np. cięcie laserowe).

Laminowanie i powlekanie cienkiego szkła nie ma szczególnych ograniczeń na poziomie teoretycznym, ale urządzenia przemysłowe, które są obecnie używane do obróbki szkła standardowego, mogą nie być w stanie poradzić sobie z obróbką cienkiego szkła. W tej sprawie trwają próby przemysłowe.

(...)

Badania właściwości mechanicznych
Ostatnie badania podkreśliły trudności w prowadzeniu niszczących badań wytrzymałości cienkiego szkła [12, 13, 14]. Szkło jest rzeczywiście tak cienkie, że ulega dużym odkształceniom podczas badania: w tych warunkach teoria i rzeczywiste naprężenie nie są zgodne (rys. 3).

Najbardziej obiecujące metody badania cienkiego szkła polegają na próbie czystego rozciągania [14] lub zginaniu o stałym promieniu [13]. Jednak szkło o grubości 2,1 mm można nadal badać za pomocą konwencjonalnego współosiowego podwójnego pierścienia (CDR) lub zginania 4-punktowego¹.

¹ EN 1288-5 Szkło w budownictwie – Określanie wytrzymałości szkła na zginanie – Część 5: Metoda współosiowego dwupierścieniowego badania płaskich próbek o małych powierzchniach badanych
EN 1288-3 Szkło w budownictwie – Określanie wytrzymałości szkła na zginanie – Część 3: Badanie na próbkach podpartych na dwóch podporach (czteropunktowe zginanie)

2019 11 44 3

Rys. 3. Duże odkształcenia w szkle Falcon o grubości 0,5 mm podczas badania z wykorzystaniem współosiowego podwójnego pierścienia

Badania z wykorzystaniem współosiowego podwójnego pierścienia (CDR) dla szkła o grubości 2,1 mm
Siedem serii szkła 100 x 100 x 2,1 mm przetestowano przy użyciu CDR. Seria składa się ze szkieł CT i non-CT FG oraz SLSG.

Seria CT obejmowała dwa rodzaje szkła chemicznie hartowanego z różnymi cyklami hartowania i dwie serie sztucznie starzonego szkła symulowanego za pomocą ścierania piaskiem. Cykle chemicznego hartowania polegają na kąpieli w temperaturze 460°C przez 8 godzin i przez 24 godziny. Proces ścierania symulowano oddziaływaniem piasku o średniej wielkości ziarna 500 μm, uderzającego w stronę powietrzną szkła pod kątem 45°. Po piaskowaniu szkło przechowywano przez 24 godziny w warunkach laboratoryjnych przed badaniami niszczącymi.

Podsumowanie badań serii pokazano w tabeli 2. Przed testem CDR przezroczystą folię samoprzylepną umieszczono na cynowej stronie szkła, aby utrzymać fragmenty szkła razem po uszkodzeniu i zlokalizować przyczynę uszkodzenia. Próbki zawsze badano przy przyłożeniu naprężeń od strony powietrznej.

Aparatura badawcza CDR została zainstalowana na maszynie Instron wyposażonej w regulator obciążenia 30 kN. Pierścień obciążeniowy i reakcyjny miały odpowiednio po 20 i 80 mm średnicy. Test przeprowadzono przy stopniowym wzroście naprężeń 0,2 MPa/s. Obciążenie przy zerwaniu rejestrowano, a naprężenie przy zerwaniu określano zgodnie z teorią sprężystości, jak opisali Zaccaria i Overend [15], chociaż w bieżącym badaniu nie uwzględniono powolnego wzrostu pęknięć.

Przeprowadzono dwuparametrową analizę statystyczną Weibulla na danych dotyczących naprężeń niszczących, aby zidentyfikować naprężenia niszczące dla danego prawdopodobieństwa. Np. 1% prawdopodobieństwa awarii podano w tabeli 3 wraz z parametrami rozkładu Weibulla, średnim wstępnym na powierzchni i względną głębokością otuliny (warstwy wymiany jonów, w której powstają wstępne naprężenia ściskające).

Parametry rozkładu Weibulla to:
- β to parametry kształtu, które reprezentują gradient krzywej najlepiej dopasowanej, gdy dane są wykreślane logarytmicznie;
- ρ jest wskaźnikiem dokładności dopasowania. Wartości> 0,05 wskazują na słabe dopasowanie. (Szeregi o złym dopasowaniu podano kursywą w tabeli 3);
- θ to parametry skali i wartość naprężenia przy zerwaniu, która odpowiada Pf = 63,21%.

Naprężenie wstępne i względna głębokość otuliny zostały zmierzone na powierzchni strony powietrznej każdej próbki za pomocą refraktometru różnicowego naprężenia (DSR). Wzór spękania złamanych próbek nie wykazywał możliwośc pękania na drobne nieostre kawałki, jak w szkle hartowanym termicznie (rys. 4), dlatego bezpieczne cienkie szkło powinno być szkłem laminowanym.

2019 11 44 1t

2019 11 44 2t

2019 11 44 3t

Dyskusja
Szkło Falcon jest mocniejsze niż SLSG, jeśli jest hartowane tym samym cyklem CT i generuje większą głębokość otuliny (podwójna przez 8 godzin w 460°C). Biorąc pod uwagę serie 3 i 4, przy Pf = 1% można zaobserwować, że naprężenie niszczące dla szkła FG jest o około 10% większe niż naprężenie dla szkła SLSG (tj. odpowiednio 325 MPa wobec 293 MPa, rys. 5).

Chociaż faktyczne zalety szkła FG w stosunku do szkła SLSG są najbardziej widoczne w odpowiednio sztucznie starzonej serii, tj. odpowiednio serii 3 z 5 i serii 4 z 6. Starzenie się nie wpłynęło zasadniczo na właściwości szkła Falcon. Można zaobserwować, że naprężenie niszczące dla szkła FG przy Pf = 1% wynosi 325 MPa i 322 MPa dla serii szkieł CT poddanych obróbce piaskiem, natomiast naprężenie niszczące dla szkła SLSG wynosi odpowiednio 293 MPa i 59 MPa (rys. 6).

Oznacza to, że sztuczne starzenie usunęło wstępne naprężenie powierzchniowe i otrzymujemy szkło, które ma takie same właściwości jak szkło SLSG niepoddane hartowaniu chemicznemu CT (seria 1). Można to wytłumaczyć różnicą w głębokości otuliny (warstwy z wymianą jonów) odpowiednio 48 i 24 μm. Mniejsza głębokość otuliny oznacza większy wpływ wad na naprężenie niszczące taflę szkła. Porównując sztucznie starzone szkło FG ze szkłem SLSG można stwierdzić, że przy Pf = 1% naprężenie powodujące uszkodzenie dla szkła FG jest 5 razy wyższe niż dla szkła SLSG.

Kolejny interesujący wynik pojawia się przy porównywaniu szkła FG z różnymi cyklami hartowania (rys. 7). Naprężenie niszczące przy Pf = 1% jest prawie takie samo (odpowiednio 325 i 322 MPa przez 8 i 24 godziny). Głębokość otuliny jest jednak znacznie większa w cyklu hartowania chemicznego trwającego 24 godziny – odpowiednio 48 w porównaniu z 78 μm.

Sugeruje to, że szkło FG poddane 24-godzinnej wymianie jonowej w 460°C jest mocniejsze (ma większą wytrzymałość) niż szkło FG hartowane chemicznie przez 8 godzin w 460°C, mimo że ta różnica nie jest zauważalna bez starzenia. Pod względem naprężeń wstępnych na powierzchni tafli szkła można zauważyć, że w szkle FG może wystąpić znacznie większe naprężenia powierzchniowe niż w szkle SLSG (564 vs 385 MPa odpowiednio dla FG CT i SLSG CT, odpowiednio hartowanych chemicznie przez 8 godzin w 460°C) oraz że dłuższy czas hartowania powoduje relaksację naprężeń, gdyż naprężenie wstępne na powierzchni maleją z 564 do 428 MPa dla FG hartowanego przez 8 i 24 godziny.

Należy zauważyć, że zastosowana technika ścierania piaskiem nie została skalibrowana w tym sensie, że nie zbadano, w jaki sposób sztuczna symulacja starzenia za pomocą ścierania piaskiem odnosi się do odpowiednio naturalnego czasu starzenia.

Oczywiste jest jednak, że większa głębokość otuliny zapewnia większą ochronę przed starzeniem. Duża głębokość otuliny może być osiągnięta przez szkło FG wytwarzane przez technologię float i poddane hartowaniu chemicznemu przez 24 godziny. Ponadto, jeśli na przykład szkło FG ma być zastosowane w rdzeniu wielowarstwowej szyby laminowanej, jego powierzchnia byłaby chroniona przez zewnętrzne warstwy, a zatem nawet mniejsza głębokość obudowy (tj. uzyskana przez wymianę jonową przez 8 godzin w 460°C) byłaby skuteczna w celu zapewnienia odpowiednio wysokich naprężeń przy zniszczeniu, na które nie miałoby znaczącego wpływu starzenie

Wnioski i przyszłe prace
Firmie AGC udało się wyprodukować szkło Falcon, cienkie szkło typu float o ulepszonych właściwościach mechanicznych po wymianie jonowej. Szkło to przetestowano przy użyciu współosiowego podwójnego pierścienia, a wyniki porównano ze standardowym szkłem sodowo-wapniowo-krzemianowym. Zaobserwowano, że szkło Falcon jest mocniejsze (ma wiekszą wytrzymałość) niż szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe (odpowiednio 325 vs 293 MPa, przy Pf = 1%).

Różnica naprężeń przy zniszczeniu jest jeszcze większa, gdy porównuje się sztucznie starzone serie (odpowiednio 331 vs 59 MPa, tj. 5 razy więcej). Można to wytłumaczyć głębokością otuliny, która w szkle Falcon, dla ustawień zastosowanych w tym badaniu, jest około dwukrotnie większa niż w szkle sodowo- wapniowo-krzemianowym, gdy jest hartowane w tych samych warunkach (odpowiednio 48 i 24 μm).

2019 11 44 4

Rys. 4. Badanie fragmentacji po spękaniu na szkle Falcon. Nie zaobserwowano bezpiecznej fragmentacji

Rys. 5. Wykres rozkładu Weibulla porównujący szkła FG i SLSG poddane hartowaniu chemicznemu CT – kąpiel w 460°C przez 8 godzin

2019 11 44 6

Rys. 6. Wykres rozkładu Weibulla porównujący szkła CT SLSG sztucznie starzone i nie poddane sztucznemu starzeniu

2019 11 44 7

Rys 7. Wykres rozkładu Weibulla porównujący chemicznie hartowane szkło FG w 460°C – będące w kąpieli przez 8 i 24 godziny

Porównując szkło Falcon poddane wymianie jonowej o różnych parametrach (tj. kąpiel w 460°C odpowiednio przez 8 i 24 godziny) można zaobserwować, że naprężenie niszczące przy Pf = 1% nie zmienia się, chociaż głębokość obudowy się zmienia (odpowiednio 48 vs 79 μm). Sugeruje to, że podczas przetwarzania szkła Falcon w wyniku dłuższej wymiany jonowej dla danej temperatury – powstaje grubsza warstwa otuliny, co powoduje wzrost odporności na starzenie.

Zainteresowanie naukowe cienkim szkłem stale rośnie, a ilość pracy, jaką należy włożyć w celu wykorzystania go w rzeczywistych zastosowaniach, jest nadal istotna.

Firma AGC bada obecnie następujące obszary zwiazane ze szkłem cienkim:
- przenoszenie i obróbka cienkiego szkła (tj. cięcie, szlifowanie, powlekanie, laminowanie, transport);
- badanie właściwości cienkiego szkła (tj. badanie wytrzymałości na rozciąganie, gięcie na zimno, laminowanie z różnymi foliami laminującymi, hartowanie chemiczne);
- zastosowanie cienkiego szkła w różnych konkretnych dziedzinach, a mianowicie: w warunkach morskich (oszklenie na statkach i jachtach), w lekkich szybach zespolonych IGU, przy gięciu na zimno i in.

(...)

Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować naukowcom i technikom z działu produkcji szkła float i materiałów ogniotrwałych oraz działu badań i rozwoju firmy AGC Glass za ich pracę i cenne porady.

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. w Tampere w Finlandii

Marco Zaccaria
AGC Glass Europe, Belgia

Xavier Gillon
AGC Glass Europe, Belgia

Bibliografia
[1] R. F. Bartholomew and H. M. Garfinkel: Wzmocnienie chemiczne szkła (Chemical strengthening of glass). „Glass Science and Technology”, D.R. Uhlmann and N.J. Kreidl Vol. 5 New York.
[2] A. K. Varshneya: Wzmocnienie chemiczne szkła: zagadnienia znane i jeszcze do poznania (Chemical Strengthening of Glass: Lesson Learned and Yet To Be Learned), „International Journal of Applied Glass Science”, vol. 1, no. 2, pp. 131–142, 2010.
[3] M. Overend, C. Butchart, J. O’Callaghan and M. Prassas: Szkło zbrojone szkłem (Glass reinforced glass). Glass Performance Days, 2013.
[4] H. Lambert and J. O’Callaghan: Ultra-cienkie szkło o wysokiej wytrzymałości i potencjalne zastosowania (Ultrathin High Strength Glass Research and Potential Applications), Glass Performance Days, pp. 95–99, 2013.
[5] J. Neugebauer: Ruchome zadaszenia (A movable canopy), ”International Conference on Building Envelope Design and Technology. Advanced Building Skins”, pp. 318–325, 2015.
[6] R. Ribeiro Silveira, C. Louter and T. Klein: Elastyczna przejrzystość - badanie dotyczące adaptacyjnych cienkich szklanych paneli elewacyjnych (Flexible transparency - A study on Adaptive THin Glass Facade Panels). Challenging Glass Conference, vol. 6, pp. 135–148, 2018.
[7] M. Akilo: Projektowanie i analiza panelu kompozytowego z powierzchniami z laminatu z ultracienkiego szkła i rdzeniem polimerowym z drukarek 3D (Design and analysis of a composite panel with ultra-thin glass faces and a 3D-printed polymeric core). Msc thesis, University of Bologna, 2018.
[8] M. Guidi: Gięcie na zimno kompozytowego panela z cienkiego szkła (Thin Glass Cold Bent Sandwich Panel). MSc Thesis, TU Delft, 2019.
[9] K. Datsiou and M. Overend: Wytrzymałość szkła poddanego starzeniu (The strength of aged glass). „Glass Structures and Engineering”, 2017.
[10] A. K. Varshneya: Właściwości fizyczne chemicznie wzmocnianego szkła: miejsce na nowe spojrzenie (The physics of chemical strengthening of glass: Room for a new view). „Journal of Non-Crystalline Solids”, vol. 356, pp. 2289–2294, 2010.
[11] A. J. Burggraaf and J. Cornelissen: Wzmocnienie szkła poprzez wymianę jonową. Część I. Powstawanie naprężeń przez dyfuzję jonów w alkalicznym szkle glinokrzemianowym (The strengthening of glass by ion-exchange. Part I. Stress formation by ion diffusion in alkali aluminosilkicate glass). „Physics and Chemistry of Glasses”, vol. 5, no. 5, pp. 123–129, 1964.
[12] I. Maniatis, G. Nehring and G. Siebert: Studies on determining the bending strength of thin glass. ”Structures and Buildings”, pp. 393–402, 2014.
[13] J. Neugebauer: Badania dotyczące określania wytrzymałości na zginanie cienkiego szkła (Determining of Bending Tensile Strength of Thin Glass), „Challenging Glass Conference”, vol. 5, pp. 419–428, 2016.
[14] F. Oliveira Santos, C. Louter and J. Ramoa Correia: Wykorzystanie cienkiego szkła – metodyka badań wytrzymałości (Exploring Thin Glass Strength Test Methodologies). „Challenging Glass Conference Proceedings”, vol. 6, pp. 713–724, 2018.
[15] M. Zaccaria and M. Overend: Termiczna obróbka zapobiegająca rzeczywistym wadom w szkle (Thermal Healing of Realistic Flaws in Glass). „Journal of Material in Civil Engineering”, vol. 28, no. 2, 2016.
[16] K. C. Datsiou and M. Overend: Sztuczne starzenie szkła za pomocą obróbki ściernej piaskiem (Artificial ageing of glass with sand abrasion). „Construction and Building Materials”, vol. 142, pp. 536–551, 2017.