紅外輻射加熱在汽車玻璃熱彎曲中的應用

隨著汽車工業的發展，汽車玻璃的需求增加，人們對其功能需求趨于多樣化。熱反射汽車玻璃由于安全性高，而且具有特殊的隔熱功能，使其在汽車上得到廣泛的應用。

熱反射汽車玻璃主要在鋼化玻璃的夾層面上鍍制Low-E膜。Low-E膜最顯著的特性是對遠紅外反射率高，對近紅外反射率低，而對可見光透過率高。當太陽光通過這種玻璃時，Low-E膜能反射太陽光譜中的紅外線，從而阻隔太陽光中66％以上產生熱效應的紅外輻射透射到車內，大幅降低空調的負荷，達到節油降耗、減少排放的目的，同時可以使陽光中的可見光透過，起到采光的作用。

汽車玻璃熱加工成型中玻璃的加熱是非常關鍵的一個過程。汽車玻璃彎曲形狀復雜化的趨勢，使得傳統的玻璃熱彎曲技術需要面對的問題是：如何在得到復雜形狀的前提下保證玻璃薄膜的性能。

熱發射汽車玻璃的主要加工過程是把兩塊相同尺寸玻璃通過膠粘劑膠合，其中一塊表面鍍有Low-E膜，且Low-E膜須位于兩塊玻璃夾層之間。玻璃在輻射加熱到一定溫度后(580～750℃)置于模具上，在自重作用下熱玻璃彎曲與模具貼合。彎曲過程中需要繼續給玻璃加熱，使其保持在合適的彎曲溫度范圍內。復雜的彎曲形狀甚至需要進行模壓彎曲或者二次彎曲。玻璃加熱過程中膜的性能也在發生改變，Low-E膜中起作用的主要為金屬銀膜及其它保護膜。適當加熱溫度對玻璃的可見光透過率是有益的，只是因為保護膜在加熱中發生氧化，使膜的可見光透過率增加。但是隨著溫度的持續增加，Low-E膜中的銀層在高溫下燒毀，光學性能反而會逐漸降低，其中可見光透過性下降最為明顯。然而，玻璃的粘度是隨著溫度的升高而降低，為了得到深彎玻璃，需要使玻璃達到很高溫度或者增加彎曲的時間，這兩種方式對膜的性能都是不利的。

一些廠家通過改善膜的性能提高膜層中銀的抗氧化性，使彎曲中Low-E膜能夠承受更高的溫度，但是這樣不僅使膜的成本增加，而且取得的效果不是很顯著。而從膜層的物理性能上進行研究，改進加熱技術，則取得了較大的成功。后者依據主要的原理是在發熱元件的輻射光譜與被加熱工件吸收光譜的匹配性，當兩者吸收光譜相匹配時，熱效率最高，反之則熱效率就低。利用膜層與玻璃的吸收光譜差異，使輻射波長集中在玻璃吸收范圍內，降低對膜層的加熱效果，在玻璃達到彎曲溫度范圍時，膜層能在一個相對低的溫度水平上。成功的技術有近紅外輻射過濾技術。

電熱輻射加熱玻璃時有效光譜主要為紅外線，輻射的能量也集中在紅外波長附近。紅外線按波長可分為近紅外(700~4 000 nm)、中紅外(4 000~8 000 nm)和遠紅外(>8 000 nm)。表1為不同溫度下紅外線的輻射能分布，由表可見，近紅外線占很大比率的紅外線輻射能，隨著加熱元件溫度升高，比率會顯著增大。

表1 不同溫度時紅外線的輻射能分布

圖1為普通透明玻璃與Low-E膜對不同波長紅外線的吸收率曲線，從圖中可知，Low-E膜由于其本身的性能，對近紅外吸收率很大，尤其是對波長在1 000 nm左右的紅外線吸收能力最強，室溫時就能達到20％~30％；吸收能力也與溫度相關，隨著溫度的升高而增加。例如在500℃時Low-E膜對波長在1 000nm左右的紅外線吸收率達40％~60％，而普通玻璃由于Si-O和Si-O-H鍵的作用，對紅外波長存在選擇吸收性，吸收光譜主要是在中紅外以及遠紅外區域。表1中隨著發熱元件的溫度升高，輻射能分布逐漸向近紅外偏移，所以采用提高發熱元件溫度增加玻璃加熱速率的方式效果有限，反而容易使膜層過熱。因此輻射元件的溫度一般控制在800~900℃范圍。

圖1 普通透明玻璃與Low-E膜對不同波長紅外線的吸收率

汽車玻璃在輻射條件下加熱時，大量的近紅外線穿過玻璃基板，到達玻璃膜層。由表1得知近紅外線所含的熱量在871℃時要大于中紅外和遠紅外之和，對膜的加熱效果非常顯著。通過熱傳導把部分熱量傳遞給玻璃基板，但是由于傳導率的限制，傳遞熱量相對于膜的吸收熱量而言只是很小的一部分，并不能有效降低膜層的溫度。在彎曲夾層鍍膜時，采用輻射加熱使玻璃達到軟化點時，膜層溫度能超過玻璃基板100℃。并且玻璃彎曲過程需要一定時間，玻璃膜要在高溫下保持較長時間，所以當把玻璃彎曲到所需形狀時，膜層會由于過熱發生擴散以及氧化等現象，嚴重破壞膜的光學性能。

為了在玻璃彎鋼化成型過程中最大程度保護膜層的光學性能，必須使膜的溫度保持在一個較低的范圍內。George等提出了一個有效的措施，通過對輻射能中近紅外線進行過濾，使輻射到玻璃上的主要是波長為4 000~8 000 nm的紅外線，波長與玻璃板的吸收范圍相匹配。針對玻璃基板進行加熱，便可有效避免膜的過熱現象，并且提高加熱速率，實現節能。圖2為紅外過濾加熱示意圖。

圖2 紅外過濾加熱示意圖

近紅外過濾的原理主要有兩種：

(1)過濾板通過輻射或熱傳導吸收加熱元件熱能，使本身溫度上升，再向玻璃輻射能量，由于過濾板材質原因，輻射的波長范圍主要集中在中紅外和遠紅外范圍內；

(2)在普通加熱單元的表面粘貼或鍍制對近紅外有很強吸收而對遠紅外和中紅外有較強透射作用的膜。在用過濾板對近紅外線進行吸收時，過濾效果隨材料不同有很大的差距，文獻[5]給出了鋁硅酸鹽玻璃纖維材料過濾板500~900℃輻射率分布范圍，高溫時主要輻射大于51μm的紅外波，鋁硅酸鹽玻璃纖維材料過濾板能過濾約70％的近紅外，而且對中紅外和遠紅外減弱效果不明顯，一般減小量大約為10％~20％。

另外一種措施是加熱元件本身輻射的波長在中紅外或(和)遠紅外，而不需要通過過濾，類似于過濾方式中的第2種方法。

由于近紅外線大部分被過濾，輻射對膜的加熱效果顯著降低，溫度上升速率較玻璃基板要緩慢。當玻璃達到合適溫度進行彎曲成型時，膜溫要比玻璃溫度低，有效防止過熱而損壞性能。George通過實驗驗證，在保證膜性能的前提下，紅外過濾技術能使玻璃的彎曲深度提高50％，并且熱量沒有因加熱膜而消耗，對過濾板熱量采取一定措施回收利用，這樣用相對少的能源就可以維持加熱元件的正常溫度，相比傳統的輻射加熱節省能耗可達30％。由于過濾板對中紅外和遠紅外也有一定過濾作用，降低向玻璃輻射的能量，影響加熱速率。根據實際工況，通過適當提高加熱元件的溫度來增加總輻射能，提高玻璃加熱速率，加大產能。

如果用紅外過濾輻射與全對流加熱技術組合加熱其效果更好。這種方式把玻璃的加熱分為兩步：第1步為預熱，其加熱采用對流加熱技術，使玻璃的溫度快速升高到400~550℃；第2步再用紅外過濾輻射加熱，以便精確控制設置爐內的溫度曲線。對于光學性能要求很高的汽車夾層鍍膜玻璃，紅外過濾輻射很適用，不僅降低成本，相比輻射對流加熱而言爐溫更易控制，操作也要簡便。