周欣李茂刚
(中建材(宜兴)新能源有限公司宜兴市214200)
摘要抗冲击强度是玻璃力学性能的重要指标之一，影响着玻璃的质量及应用。通过对光伏压延玻璃的抗冲击强度的研究，结合高速摄像和微观形貌进行分析，发现随着玻璃厚度的增加，玻璃的抗冲击强度随之增大；当玻璃的厚度相同时，不同表面形态的光伏压延玻璃的抗冲击强度不同，抗冲击强度随着表面形态不同由高到低表现为：压花面〉绒面〉镜面，压花面可提高玻璃的抗冲击强度。 关键词光伏压延玻璃表面形态抗冲击强度
中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：1003-1987(2019)07-0011-05
Study on the Effect of Surface Morphology
of Photovoltaic Rolling Glass on Its Impact Resistance
ZHOU Xin,LI Maogang
(China Building Materials Yixing New Energy Co.,Ltd.,Yixing,214200)
Abstract:Impact strength is one of the important indexes of mechanical properties of glass,which affects the quality and application of glass.Through the study of impact strength of photovoltaic rolling glass, combined with high-speed photography and micro-morphology analysis,it is found that the impact strength of glass increases with the increase of glass thickness.When the thickness of glass is the same,the impact strength of different surface morphology of photovoltaic rolling glass is different,and the impact strength of different surface morphology is from high to low as follows:embossed surface>velvet surface>mirror, embossed surface can improve the impact strength of glass.
Key Words:photovoltaic rolled glass,surface morphology,impact strength
0引言
在冲击条件下，脆性材料的力学响应和破坏行为十分复杂，是冲击动力学领域研究方向之一。玻璃是一种典型的脆性材料，具有悠久的历史和优良的性能，包括抗压强度高、密度低、耐高温等特点，在受冲击破坏时表现为小变形脆性破坏，敏感度高，其受冲击破碎时主要通过破碎裂纹来吸收能量[1]o21世纪以后，力学工作者在对玻璃制品的冲击试验数据进行分析的过程中，得到了玻璃材料特有 的脆性变形和破坏特征。Rasorenov等⑵对K9玻璃进行冲击试验后指出，在满足一定冲击载荷条件下，玻璃存在一个由表向内传播的破坏界面，称为“失效波”，这是玻璃表面的原生微裂纹在冲击波压缩下开裂、扩展引起的。姚国文等⑶分析了玻璃材料在高速冲击条件下的破坏波，对其在玻璃中的传播机制、动态特征及破坏层的性质进行了研究。方维凤等研究了冲击载荷作用下平板玻璃的破坏机理，利用Hertz理论给出了冲击载荷作用下玻璃面板中的应
作者简介：周欣(1993-)，女，山东临沂人，硕士研究生，主要从事光伏压延玻璃的研究。指导老师：李茂刚(1961-)，男，教授级高级工程师。
力分布，并分析了破碎锥角的形成机理⑴。
针对玻璃在冲击载荷下的破碎失效，国内外 学者已做了较多的研究，但鲜有学者考虑玻璃的
表面形态对其冲击破碎带来的影响。抗冲击强度
是评价光伏压延玻璃力学性能重要指标之一，试 验中发现具有不同表面形态的光伏压延玻璃在同
等条件下受冲击破碎时具有不同的破碎面积，表 现出不同的抗冲击性能。本文选取具有不同表面 形态的玻璃进行落球冲击破碎试验，结合微观形
貌和高速摄像分析，研究了玻璃的表面形态对玻
璃抗冲击性能的影响。
1试验
1.1实验试样
玻璃试样为中建材（宜兴）新能源有限公司
压延工艺生产的单绒镜面玻璃和单绒压花玻璃，
厚度分别为1.6mm 、2.0mm 和2.5 mm，玻璃表面形
态为单绒镜面玻璃的镜面、绒面以及单绒压花玻
璃的压花面、绒面，其中单绒镜面玻璃的表面形 态简易图如图1所示，分为论、b |面，尙面为镜面，
储压器粗糙度约为0.012 ym, b 面为绒面，粗糙度约为
1-267
单绒压花玻璃的表面形态简易图如图
2所示，分为眄、b2面，眄面为绒面，粗糙度约为
0.580 b2面为压花面，花纹深度约为20⑷。
图1单绒镜面玻璃的表面形态图2单绒压花玻璃的表面形态
1.2测试方法
按照GB/T 30984.1—2015中涉及的抗冲击性
黑苦瓜种子能测试标准，采用1 040 g 的钢球和符合标准规定
的试验支架，分别以不同表面形态为冲击面，完
成落球冲击测试，冲击点在距离试样中心25 mm
范围内，观察玻璃破碎情况，以破碎时钢球的高 度表征玻璃的抗冲击强度。
为进一步分析不同表面形态对玻璃破碎的影
响机理，采用高速摄像机（型号为日本NAC
MEMRECAMHX，拍摄帧数为5万帧）捕捉平板
玻璃冲击破碎全过程，测试前在试样表面喷一层
薄漆降低玻璃的透光率，同时将落球架抬高，拍
摄玻璃下表面的破碎状态。采用光学显微镜观察 玻璃表面形貌，采用扫描电子显微镜（SEM ）观
察破碎后玻璃断面微观形貌。
2结果与分析
2.1落球冲击测试结果
表1为光伏压延玻璃不同表面形态受到落球
冲击时破碎的试验结果，相应的折线图如图3
所示。
拉深模具
表1玻璃抗冲击强度落球试验结果玻璃表面形态试验编号冲击面
玻璃厚度1.6 mm
玻璃厚度2.0 mm
玻璃厚度2.5 mm
破碎高度/mm
破碎高度/mm
破碎高度/mm
单绒镜面
1
Hi 100233300
2b
650
875
1358
单绒压花
3
a 2
150275
500
4
b 2
550
1150
1383
1.6
2.0
2.4 2.8
玻璃厚度/mm
(1)单绒镜面玻璃落球试验结果
2M W
恤倉富
图3玻璃抗冲击强度落球试验结果图
从图3中可以看出，随着厚度的增加，玻璃
斜导柱
表面相同形态抗冲击面的抗冲击强度随之增加；
在同一厚度下，单绒镜面玻璃的抗冲击强度：
S 面〉如面，单绒压花玻璃的抗冲击强度：b2面〉
遍面。
另外，从图3中可以得出，玻璃两面的落球
冲击高度差随着厚度的增加而增大，1.6 mm 厚度
下玻璃两面的落球冲击高度差最小，单绒镜面玻 璃落球冲击高度差为550 mm，单绒压花玻璃落球
冲击高度差为400 mm; 2.5 mm 厚度下玻璃两面的 落球冲击高度差最大，单绒镜面玻璃落球冲击高
度差为1 058 mm，单绒压花玻璃落球冲击高度差
为883 mm o
2.2表面形貌力学分析
压延平板玻璃的表面形态影响其抗冲击强
度，通过玻璃表面受力情况来分析造成该影响的
原因。图4为单绒压花玻璃压花面显微照片。从
图4可以看出，单绒压花玻璃的压花面由大量六 边形孔聚集而成，增加了光伏压延玻璃的透光
率。
图4单绒压花玻璃压花面显微照片
粗糙度指加工表面上具有的较小间距和峰谷
的％面粗糙度为0.012卩叫粗糙度非常小，忽略所组成的微观几何形状特性。已知单绒镜面玻璃
不计，S 面粗糙度约为1.267 ym ；单绒压花玻璃
的遍面粗糙度约为0.580 ym, b2面花纹深度约为20 g 。其中％面、遍面，虬面、b?面在底面积相
同的状态下，高度越高，其表面积越大。玻璃表
面粗糙度及花纹深度简图如图5所示，其表面积
SafS 切,S^VS^。
玻璃受外力作用时表面产生压应力，内部产 生张应力，玻璃是典型的脆性材料，抗拉强度低。 当钢
球掉落击中玻璃表面的瞬间会产生一个冲击
口型钢力，这个冲击力以“失效波”的形式由表及里传
播，由于压花面的比表面积较大，单位面积承受力 较小，玻璃不易碎裂，因此其抗冲击强度高。若玻
璃受冲击时下表面为光滑镜面，比表面积较小，单
位面积承受的力较大，玻璃更易碎裂。
2.3落球高速摄像
由文献新编玻璃工艺学可知，玻璃为脆性材
料，钢球冲击玻璃表面，超过玻璃抗冲击强度极
限时，通过裂纹来吸收能量发生瞬时断裂破坏。
图6为高速摄像机从试样的下表面拍摄的产生破碎 圆锥的瞬间照片，破碎时间为玻璃裂纹出现后的
第0.005 s，落球破碎高度均为1 200mm ，试样背面
做相同尺度的框格用以比较破碎锥面积的大小。
其中，图6(1)为2.0 m m 单绒镜面玻璃试样，冲 击表面分别为坷、丄面，图6(2)为2.0mm 单绒压
花玻璃试样，冲击表面分别为a 2,b 2面。
bi 面
(1)单绒镜面玻璃
(2)单绒压花玻璃
图6玻璃破碎产生破碎圆锥瞬间照片
从图6中可以看出，破碎产生的裂纹以弹着点为中心，呈放射状向四周扩散，击穿周围交织着各种径向和环向的裂纹，在玻璃面板内形成两个倒置的破碎锥，断口处裂纹的分布形状及破碎面积与应力大小及材料本身性质有关，使用高速摄像机拍摄可以清晰地看到破碎圆锥的形成过程。
玻璃破碎时产生的破碎圆锥面积越大，表示其吸收冲击能量越多，通过高速摄像机从试样的下表面拍
摄产生破碎圆锥的面积，可以看出：①对于单绒镜面玻璃(图6(1))，山面受冲击吸收的冲击能量大于a】面受冲击吸收的冲击能量；
②对于单绒压花玻璃(图6(2)),b?面受冲击吸收的冲击能量大于a?面受冲击吸收的冲击能量；③对于两种厚度相同的玻璃，当下表面均为绒面(即a?、bi面)时，压花玻璃b?面受冲击吸收的冲击能量大于镜面玻璃％面受冲击吸收的冲击能量；④当冲击面均为绒面时，单绒镜面玻璃面为下表面时吸收的冲击能量大于单绒压花玻璃b?面为下表面时吸收的冲击能量。高速摄像得到的玻璃表面形态不同对玻璃抗冲击性能的影响结果与落球试验得到的结果相一致。
3结论
通过对不同形态和不同厚度玻璃的冲击实验比较，得出以下结论：
(1)随着厚度的增加，玻璃相同的抗冲击面的抗冲击强度随之增加；同一厚度下，单绒镜面玻璃的绒面的抗冲击强度高于镜面的抗冲击强度，单绒压花玻璃的压花面的抗冲击强度高于绒面的抗冲击强度。
(2)玻璃压花面的结构在受到冲击载荷时，初始的变形包括了孔壁的轴向或剪切变形，这个变形过程中，压花面比表面积相对较大，能多吸收一部分冲击能量，因此当压花面受冲击时，玻璃具有较高的抗冲击强度。
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(3)落球高速摄像结果相一致：①单绒压花玻璃受冲击吸收的冲击能量：压花面〉绒面；②单绒镜面玻璃受冲击吸收的冲击能量：绒面〉镜面；③厚度相同时，当下表面均为绒面时，受冲击吸收的冲击能量压花玻璃〉镜面玻璃；④当冲击面均为绒面时，受冲击吸收的冲击能量单绒镜面玻璃〉单绒压花玻璃。
对比两种压延玻璃的实验结果，可以发现：相同厚度下，玻璃受冲击时上下面的表面形态对玻璃的抗冲击强度均存在影响，表面积相对大的玻璃面作为冲击面时，能够提高光伏压延玻璃的抗冲击强度，因此，可通过设计压延玻璃的表面形态，提高产品的抗冲击强度。
参考文献
［1］方维凤，余晓青•冲击载荷作用下平板玻璃穿孔机理卩］.振 动与冲击.2007,26(1)：42-44.
［2］郑志嘉，段卓平，张连生，等•脆性材料中失效波现象的形成机理分析卩］.兵王学报,2014,35(S2)：316-321.
［3］姚国文，刘芳•高速冲击条件下玻璃材料的破坏分析卩］.重 庆大学学报(自然科学版)，2001,24(5)：67-69+74.［4］罗昌杰，周安亮，刘荣强，等•金属蜂窝异面压缩下平均压缩应力的理论模型卩］.机械工程学报，2010,46(18)：
52-59.
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