俞超 徐劍 楊威 王夢(mèng)龍 王蒼龍

（1.彩虹顯示器件股份有限公司 咸陽 712000；2.平板顯示玻璃工藝技術(shù)國家工程研究中心 咸陽 712000）

0 引言

隨著電子信息顯示產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，作為液晶顯示器部件的基板玻璃需求量與日俱增，同時(shí)基板玻璃朝大尺寸高世代方向發(fā)展，旨在提供更大、更高質(zhì)量的顯示器，以滿足用戶對(duì)更好觀看體驗(yàn)的需求，其對(duì)玻璃的低膨脹率、高通過率、內(nèi)外部缺陷的規(guī)格及數(shù)量都有特殊的要求，其中氣泡缺陷是基板玻璃制造過程中最主要的控制指標(biāo)?；宀ＡС吻逯饕^程是通過加熱的方式來提升玻璃液溫度，促進(jìn)玻璃液中氣泡聚集、上浮和排出?；宀Ａе饕獮楦咪X硼硅酸鹽玻璃，其熔點(diǎn)高、表面張力大，使得玻璃液的澄清過程非常困難，而高世代大流量給其澄清帶來更大的挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證高世代大流量下玻璃液的澄清效果，開展基板玻璃澄清效果研究非常重要，然而玻璃液澄清主要在鉑金通道澄清管內(nèi)進(jìn)行，整體運(yùn)行處于高溫環(huán)境，且外圍包覆保溫材料，這些因素給澄清過程在線研究帶來極大困難。

針對(duì)提升基板玻璃澄清效果的研究，張軍鋒等［1］分析了氣泡產(chǎn)生的原因，得出用于抑制界面氣泡生成的環(huán)境濕度控制方法；孫承緒等［2］通過對(duì)澄清理論數(shù)學(xué)模型的分析，研究用物理方法加速澄清均化過程；李青等［3］基于玻璃液中氣泡的來源、成分和澄清機(jī)理，重點(diǎn)分析澄清劑、攪拌或改進(jìn)鉑金通道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)等方式增強(qiáng)玻璃液的澄清效果；彭壽等［4］研究了澄清劑氧化錫含量對(duì)TFT-LCD 基板玻璃澄清效果的影響，通過高溫熔融觀察系統(tǒng)定量研究了澄清過程中氣泡熔占比、氣泡平均直徑、氣泡個(gè)數(shù)的變化，建立了適合TFT-LCD 基板玻璃的澄清方案；王保平［5］針對(duì)高硼高鋁無堿硅酸鹽玻璃基板的高溫難熔性和難澄清性，分析了氣泡澄清機(jī)理及負(fù)壓澄清技術(shù)原理和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為中通道澄清均化設(shè)計(jì)研究提供參考和借鑒。以上文獻(xiàn)中針對(duì)玻璃液澄清的研究主要是基于數(shù)學(xué)模型對(duì)澄清機(jī)理進(jìn)行分析，而通過物理試驗(yàn)對(duì)澄清過程開展離線研究較少。由于玻璃液澄清物理試驗(yàn)具有直接觀察、變量控制、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，其試驗(yàn)的結(jié)果有助于驗(yàn)證澄清理論模型，并為澄清技術(shù)和應(yīng)用提供支持和指導(dǎo)，因此開展基板玻璃澄清物理試驗(yàn)具有重要意義。

為此提出基于相似原理的基板玻璃鉑金通道澄清物理模擬試驗(yàn)，試制鉑金通道模擬試驗(yàn)裝置，通過物理模擬試驗(yàn)開展基板玻璃通道澄清過程的研究。試驗(yàn)采用硅油作為模擬液，通過控制引出量、氣泡大小及黏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃液澄清過程離線物理模擬試驗(yàn)，解決了對(duì)澄清過程在線研究困難的問題，該試驗(yàn)結(jié)果可為大流量下澄清區(qū)鉑金本體設(shè)計(jì)和澄清工藝探究提供依據(jù)和參考。

1 通道澄清物理模擬原理

1.1 通道澄清物理模擬原則

通道澄清物理模擬是以相似原理為基礎(chǔ)，建立研究玻璃液澄清和模型試驗(yàn)之間的相似關(guān)系，從而保證模型試驗(yàn)出現(xiàn)的物理現(xiàn)象與原型相似。

物理澄清模擬過程中玻璃液相似材料的選取應(yīng)具備以下條件，以維持試驗(yàn)的科學(xué)性以及可操作性：①材料的物理性質(zhì)與玻璃液相似，即具有流動(dòng)性和黏度相似性；②通過改變配比可以改變?cè)摬牧系酿ざ鹊任锢硇再|(zhì)；③具備操作性和安全性等。

由于玻璃液澄清過程非常復(fù)雜，因此本文通道澄清物理模擬試驗(yàn)只考慮主要影響因素，而忽略其他復(fù)雜的次要影響因素，做出如下假設(shè)：

①忽略通道玻璃液因溫度不均勻?qū)е虏Ａб涸诮孛嬉约傲飨蛏橡ざ鹊牟灰恢滦詫?duì)澄清排泡產(chǎn)生的影響，即假設(shè)澄清管內(nèi)玻璃液黏度具有一致性；

②忽略玻璃液與通道本體之間的摩擦對(duì)澄清排泡的影響，不同黏度的玻璃液與通道本體的摩擦力不同，實(shí)際澄清過程中，這種摩擦力會(huì)更小，即假設(shè)玻璃液與通道本體之間的摩擦具有一致性；

③忽略澄清過程中玻璃液中其他化學(xué)反應(yīng)對(duì)澄清排泡產(chǎn)生的影響，即假設(shè)排泡過程為純物理過程，無化學(xué)反應(yīng)；

④忽略其他復(fù)雜因素，如澄清過程中氣泡的碰撞長大等對(duì)澄清排泡的影響。

1.2 通道澄清物理模擬相似準(zhǔn)則

模型與原型相似要求兩者的所有要素必須對(duì)應(yīng)相似，包括物理要素與幾何要素，具體表現(xiàn)在各物理量對(duì)應(yīng)場(chǎng)的相似。兩個(gè)物理現(xiàn)象相似要求其各個(gè)物理量對(duì)應(yīng)位置及對(duì)應(yīng)時(shí)間上大小成比例，并且矢量方向要一致，在流動(dòng)現(xiàn)象中若要兩種流動(dòng)相似，一般應(yīng)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似與動(dòng)力相似。本文中通道澄清物理模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨葡禂?shù)設(shè)置及依據(jù)如下。

（1）幾何相似

試驗(yàn)原型與模型幾何相似要求兩者在線性尺度上成一定比例，原型與模型長度（l）、面積（A）和體積（V）比尺可以分別表示為：

式中：l表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)物理量長度；A表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)物理量面積；V表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)物理量體積；ll， lA， lV表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)物理量長度、面積及體積比尺。

本文中通道澄清物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)實(shí)際通道澄清管原型按1∶1比例制作，因此該試驗(yàn)過程中的長度比尺ll＝1。

（2）運(yùn)動(dòng)相似

流體的運(yùn)動(dòng)相似即速度場(chǎng)相似，兩運(yùn)動(dòng)相似要求原型與模型各點(diǎn)的速度大小呈一定比例、方向相同。兩運(yùn)動(dòng)相似的速度與加速度比尺為：

式中：u表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)物理量的速度；a表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)物理量的加速度；lu， la表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)物理量的速度與加速度比尺。

由于通道澄清物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪前凑臻L度比尺試制，本文通過控制模擬液的流量來實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬液流速的控制，保證與通道澄清管原型中的流量保持一致，因此該試驗(yàn)過程中的速度比尺lu＝1。

（3）動(dòng)力相似

動(dòng)力相似要求原型與模型在相同位置上受到的同名力方向相同、大小呈一定比例，對(duì)于流動(dòng)現(xiàn)象，兩流動(dòng)動(dòng)力相似要求：

式中：FG表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)的重力；FP表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)的壓力；FT表 示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)的黏性力；FL表示原型（p）與模型（m）對(duì)應(yīng)的慣性力。

本文通道澄清物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠O(shè)置長度與速度比尺的基礎(chǔ)上，通過配置不同黏度的硅油來作為模擬液，同時(shí)保證模擬試驗(yàn)中通道控制液面的高度與通道澄清管原型中玻璃液高度相同，以此來保證模擬試驗(yàn)過程中流動(dòng)動(dòng)力具備相似性。

（4）相似準(zhǔn)則數(shù)

Re數(shù)（雷諾數(shù)），是表征慣性力與黏性力比值量度的無量綱準(zhǔn)數(shù)，與黏性流動(dòng)相關(guān)的模型試驗(yàn)應(yīng)該考慮Re數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：r——密度，g/cm3；

v——速度，m/s；

l——特征尺度，m；

m——?jiǎng)恿︷ざ?，N·s/m2。

本試驗(yàn)為黏性流體的相關(guān)試驗(yàn)，因此氣泡在模擬液體中應(yīng)保證在流向方向以及非流向方向上運(yùn)行與原模型中運(yùn)行相似，即保證雷諾數(shù)相等，測(cè)量計(jì)算出實(shí)際玻璃液中氣泡在兩個(gè)方向的速度，進(jìn)而分析大流量下玻璃液的澄清效果。

2 基于相似原理的基板玻璃鉑金通道澄清物理模型設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

為降低澄清物理試驗(yàn)誤差，提高了試驗(yàn)可靠性，更直接地將試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際情況，按照比例1∶1試制通道澄清模擬模型，保證試驗(yàn)條件的可控性和可重復(fù)性。

硅油（PDMS）是一種有機(jī)硅化合物，其黏度范圍很廣，較低黏度的硅油流動(dòng)性較好，類似于水的流動(dòng)性，且具有良好的透明度?？梢酝ㄟ^將高黏度的硅油與適量的稀釋劑（如低黏度硅油或溶劑）混合來降低硅油的黏度，即可以根據(jù)需要進(jìn)行不同比例的稀釋，獲得需要黏度的硅油。由于硅油與高溫玻璃液存在高度相似性，因此本試驗(yàn)使用硅油作為玻璃液模擬液。

基板玻璃通道玻璃液澄清的影響因素包括料方料性、外界環(huán)境、澄清管結(jié)構(gòu)、澄清管尺寸、澄清黏度、澄清劑、液面高度、引出量、排泡直徑等。由于影響因素較多，為驗(yàn)證大流量下玻璃液澄清效果，采用控制變量法，控制某些因素不變，將玻璃液澄清過程多影響因素轉(zhuǎn)化為某幾個(gè)影響因素，如圖1所示。

圖1 基板玻璃通道玻璃液澄清影響因素分析

2.2 物理模擬試驗(yàn)裝置

模擬試驗(yàn)裝置包括主體裝備系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、氣泡產(chǎn)生系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 澄清物理試驗(yàn)?zāi)M裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（1）主體裝備系統(tǒng)：澄清管采用透明有機(jī)玻璃材料，便于試驗(yàn)中觀測(cè)；

（2）動(dòng)力系統(tǒng)：包括油泵及對(duì)應(yīng)管路，實(shí)現(xiàn)硅油在特定流量下的循環(huán)流動(dòng)；

（3）氣泡產(chǎn)生系統(tǒng)：在一定條件下可控制氣泡產(chǎn)生的大??；

（4）測(cè)量系統(tǒng)：采用高性能相機(jī)捕捉氣泡排泡過程及時(shí)間。

通道澄清物理模擬試制裝置關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 澄清模擬裝置關(guān)鍵參數(shù)

3 基板玻璃通道澄清物理模擬試驗(yàn)

（1）根據(jù)當(dāng)前線體使用料方黏溫特性，配置不同黏度的硅油用來模擬不同溫度下的玻璃液，其中包括15/25/35 Pa·s等不同黏度的硅油，分別對(duì)應(yīng)當(dāng)前線體使用料方的玻璃液溫度為1640～1645 ℃，1625～1640 ℃及1610～1625 ℃；

（2）將不同黏度硅油倒入澄清物理模擬試驗(yàn)裝置中，通過動(dòng)力系統(tǒng)及閥門調(diào)節(jié)，進(jìn)行模擬試驗(yàn)前裝置調(diào)試，如圖3所示。保障每組試驗(yàn)均在規(guī)定流速4.5～7.0 m/h流量下循環(huán)流動(dòng)，并維持規(guī)定液面高度，保證硅油液面穩(wěn)定；

圖3 通道澄清物理模擬試驗(yàn)裝置

（3）通過氣泡產(chǎn)生系統(tǒng)在澄清裝置入口處硅油中產(chǎn)生不同大小直徑的氣泡；

（4）用高性能相機(jī)捕捉跟蹤氣泡照片，通過尺寸比例計(jì)算氣泡直徑，并記錄排泡過程及時(shí)間。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 引出量對(duì)澄清效果影響分析

根據(jù)玻璃液澄清物理模擬所需的引出量數(shù)據(jù)，結(jié)合通道試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约耙好娓叨鹊瘸叽缬?jì)算模擬試驗(yàn)的硅油流速，如圖4所示。在不同流速情況下，在澄清管距離液面300 mm處鼓入氣泡，用高性能相機(jī)進(jìn)行跟蹤拍照記錄不同直徑氣泡的排泡時(shí)間，得到氣泡時(shí)間、直徑與流速關(guān)系，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)前引出量保持920 kg/h，在澄清管尺寸不變條件下，隨著引出量的增大，澄清排泡時(shí)間越短，排泡直徑增大；當(dāng)引出量增至980 kg/h以上時(shí)，玻璃液澄清效果發(fā)生質(zhì)的變化，即澄清效果已經(jīng)無法滿足基板玻璃生產(chǎn)的要求。

圖4 引出量與流速關(guān)系圖

圖5 排泡時(shí)間、直徑與流速曲面圖

4.2 黏度對(duì)澄清效果影響分析

在不同黏度硅油條件下，在澄清管距離液面300 mm處鼓入氣泡，用高性能相機(jī)進(jìn)行跟蹤拍照記錄不同直徑氣泡的排泡時(shí)間，得到排泡時(shí)間、直徑與黏度關(guān)系，如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：①在引出量保持920 kg/h及澄清管尺寸不變條件下，隨著氣泡直徑減小或玻璃液溫度黏度增大，排泡時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)型增大；②在試制設(shè)備現(xiàn)有尺寸條件下，對(duì)澄清入口帶入的氣泡在不增加小氣泡碰撞長大或液體中氣體不發(fā)生擴(kuò)增使氣泡生長的情況下，直徑低于2.0 mm氣泡在大于30 Pa·s玻璃液中無法完全排出。

圖6 排泡時(shí)間、直徑與黏度等線值圖

5 結(jié)語

通過開展基板玻璃通道澄清物理模擬試驗(yàn)，有效解決了澄清過程無法在線研究的問題，通過控制變量對(duì)影響因素的調(diào)整和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果觀察，揭示了基板玻璃液澄清過程以及澄清影響因素之間的相互關(guān)系，驗(yàn)證在現(xiàn)有通道結(jié)構(gòu)尺寸下，玻璃液黏度與引出量對(duì)澄清效果的影響，為大流量下澄清鉑金本體設(shè)計(jì)和澄清工藝探究提供依據(jù)和參考。