田英良,劉亞茹,李建峰,王偉來(lái),陳鑫鑫,李俊杰,司國(guó)棟,王 為
(1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100124;2.中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司,北京 100024)
超薄玻璃是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料,厚度小于1.1 mm的超薄玻璃具有表面平坦、硬度大、透光率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[1]。隨著玻璃的超薄化,又展現(xiàn)出可彎曲、質(zhì)量輕、可加工等新特性[2],可被廣泛應(yīng)用于LCD/OLED等顯示器面板、新型照明、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域,因此超薄玻璃被稱為最具發(fā)展?jié)摿Φ男虏牧现籟3]。
導(dǎo)熱系數(shù)是玻璃材料重要的熱學(xué)參數(shù)。利用導(dǎo)熱系數(shù)可計(jì)算玻璃的退火工藝,降低熱應(yīng)力導(dǎo)致玻璃缺陷的風(fēng)險(xiǎn)[4]。在制備顯示面板時(shí),超薄玻璃需要經(jīng)過(guò)多次熱處理,準(zhǔn)確獲得超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)[5]。由于超薄玻璃薄型化、透光性的特點(diǎn),導(dǎo)熱系數(shù)常規(guī)測(cè)試方法難以準(zhǔn)確測(cè)量[6],原因在于玻璃變薄后,采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試時(shí),不能在玻璃試樣上下兩面建立穩(wěn)定的溫度梯度,致使導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確[7-8];非穩(wěn)態(tài)法測(cè)試時(shí),由于玻璃太薄容易造成熱擊穿等問(wèn)題[9],特別是測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)較大的玻璃時(shí),例如石英玻璃,測(cè)試數(shù)值會(huì)明顯偏低10%~15%[10]。由于玻璃的透光特性,在激光閃射法測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),需要在玻璃表面涂鍍不透明薄膜材料,且該方法測(cè)量結(jié)果只是熱擴(kuò)散系數(shù),還需要測(cè)量玻璃密度、比熱容等參數(shù)[11],最終計(jì)算得出玻璃的導(dǎo)熱系數(shù),這些因素加大了測(cè)試結(jié)果誤差。因此,需要探究一種適合超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的新方法,來(lái)解決厚度小于1.1 mm的超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)難以測(cè)量的問(wèn)題[12-13]。
針對(duì)超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量所面臨的難題,本文提出“多層疊片法”超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法,重點(diǎn)分析了該方法測(cè)量超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的相關(guān)因素,將對(duì)超薄玻璃生產(chǎn)效率和良率提升具有重要支撐作用。
利用試樣存在溫度差時(shí),熱流從溫度較高處向較低處傳導(dǎo)的原理。將冷極和熱極置于片狀試樣兩端,溫差會(huì)導(dǎo)致熱流通過(guò)試樣,根據(jù)已知試樣厚度、兩端溫差及端面面積獲得一維穩(wěn)態(tài)熱流量,進(jìn)而計(jì)算試樣導(dǎo)熱系數(shù),其原理如圖1所示。
圖1 穩(wěn)態(tài)法測(cè)量原理圖Fig.1 Steady-state measurement schematic diagram
根據(jù)熱流計(jì)法測(cè)試原理構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置主要包括加熱源、冷極、熱極、加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及熱電偶等,如圖2所示。
圖2 熱流計(jì)法測(cè)試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat flow meter test device
為了保證導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量精度和可靠性,實(shí)驗(yàn)裝置須滿足以下要求:
(1)加熱器須為黃銅材質(zhì),采用內(nèi)熱式結(jié)構(gòu),選用高精度數(shù)顯溫控表控溫,為熱極提供穩(wěn)定熱源,溫度偏差小于0.2 ℃;
(2)冷極和熱極應(yīng)為直徑相同且導(dǎo)熱系數(shù)大于50 W/(m·K)的金屬材料,優(yōu)選直徑為30~40 mm,表面應(yīng)平整光滑;
(3)加壓系統(tǒng)由壓力傳感器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成,用于試樣加壓,滿足0~1 000 N可調(diào);
(4)冷卻系統(tǒng)包括恒溫水槽和冷卻器,為冷極提供穩(wěn)定溫度,溫度偏差小于0.2 ℃;
(5)熱電偶選用分度值為0.1 ℃的熱電偶,在冷極和熱極上各放置2支熱電偶,要求同極溫度偏差不大于0.2 ℃。
根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律,可得導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式(1)。
(1)
式中:λs為測(cè)定樣品的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λc為熱極平均溫度的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Ac為垂直于熱流方向的熱極截面積,m2;As為垂直于熱流方向的樣品截面積,m2;t1和t2分別為熱電偶1和2的溫度,℃;t3和t4分別為熱電偶3和4的溫度,℃;ds為樣品的厚度,m;l1為熱電偶1和2之間的距離,m;l2為熱偶3和4之間的距離,m。
實(shí)驗(yàn)采用多層疊片法,將多片超薄玻璃疊加至一定厚度,為避免空氣對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量影響,因空氣在室溫導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023 W/(m·K),會(huì)產(chǎn)生較大熱阻,嚴(yán)重影響熱流傳遞,導(dǎo)致最終測(cè)試結(jié)果偏差較大,故在超薄玻璃片之間需涂抹導(dǎo)熱硅脂,并且冷極和熱極表面也需要涂抹,疊加后的試樣如圖3所示。
圖3 超薄玻璃多層疊片試樣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch of ultra-thin glass multi-layer laminate specimen
選用玻璃導(dǎo)熱系數(shù)具有代表性石英玻璃和高鉛玻璃,對(duì)該方法進(jìn)行重復(fù)性和離散性分析。玻璃試樣厚度為0.5 mm,各取4片玻璃,按照上述操作步驟進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
從表1可以看出,兩種玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.017 W/(m·K)和0.016 W/(m·K),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都小于1.3%,說(shuō)明該測(cè)試方法重復(fù)性良好,離散性較小,可以作為超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法。
表1 重復(fù)性和離散性分析Table 1 Repeatability and dispersion analysis
首先選用玻璃導(dǎo)熱系數(shù)具有代表性的石英玻璃和高鉛玻璃,厚度規(guī)格為0.4 mm,然后疊加不同厚度,探究疊加厚度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響,測(cè)試結(jié)果如圖4和5所示。
從圖4和圖5中可知,隨著玻璃疊加厚度的增加,導(dǎo)熱系數(shù)逐步增加,然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)石英玻璃疊加厚度達(dá)2.0 mm時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)接近1.41 W/(m·K),基本達(dá)到平衡和穩(wěn)定,該結(jié)果與單片厚度5.0 mm的石英玻璃導(dǎo)熱系數(shù)1.41 W/(m·K)相當(dāng);當(dāng)高鉛玻璃隨著疊加厚度增加其導(dǎo)熱系數(shù)增加,當(dāng)厚度超過(guò)2.0 mm時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.74 W/(m·K),基本維持平衡和穩(wěn)定,與單片厚度5.0 mm的高鉛玻璃導(dǎo)熱系數(shù)0.72 W/(m·K)相當(dāng)。當(dāng)試樣厚度小于2.0 mm時(shí),之所以出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果與厚度存在正相關(guān),是因?yàn)椴Aг嚇虞^薄時(shí),玻璃試樣熱極的熱量很快就傳遞到冷極,為了保持上下極溫差,冷極開(kāi)始加速冷卻,從而帶走了更多熱量,即使形成了冷熱極溫差,但是屬于偏離實(shí)際的“假”熱平衡現(xiàn)象,這樣計(jì)算時(shí)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果顯然偏小。此外,玻璃片疊加厚度和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān),導(dǎo)熱系數(shù)越大,玻璃片疊加厚度應(yīng)越大,這主要是由于導(dǎo)熱系數(shù)越大,熱量傳導(dǎo)越快,只有累計(jì)疊加厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),才能真正建立熱平衡。
圖4 石英玻璃疊加厚度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.4 Effect of superposition thickness of quartz glass on thermal conductivity
圖5 高鉛玻璃疊加厚度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of superposition thickness of high lead glass on thermal conductivity
分別選取四種導(dǎo)熱系數(shù)不同的導(dǎo)熱硅脂和一個(gè)無(wú)導(dǎo)熱硅脂空白樣作對(duì)比,研究不同導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅脂對(duì)多層疊片試樣導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果影響,其中,單片石英厚度為0.5 mm,將4片進(jìn)行疊加,疊加厚度為2.1 mm(含有0.1 mm硅脂),測(cè)試結(jié)果如表2所示。
表2 導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響Table 2 Effect of thermal conductivity of thermal grease on test results
從表2中可知,導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)越大,對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果影響越小。對(duì)于石英玻璃,當(dāng)導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)≥1.5 W/(m·K)時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量值趨于石英玻璃的理論值1.41 W/(m·K)。盡管玻璃表面平整度很高,但表面依然具有微米級(jí)粗糙度,當(dāng)玻璃片進(jìn)行疊加時(shí),玻璃片之間仍有空氣存在可能,而空氣室溫導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023 W/(m·K),遠(yuǎn)小于玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)(一般0.7~1.4 W/(m·K)),這時(shí)的測(cè)量結(jié)果為玻璃和空氣的復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù),受空氣熱阻影響,會(huì)使測(cè)試結(jié)果偏小。玻璃片之間涂抹導(dǎo)熱硅脂,可以排出玻璃片之間的空氣,減小了空氣對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響。導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)越大,對(duì)測(cè)量結(jié)果影響越小,只有導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)超過(guò)玻璃材料,才會(huì)將測(cè)量影響到降到最低,石英玻璃導(dǎo)熱系數(shù)在透明無(wú)機(jī)玻璃中最大,故選擇的導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)不小于1.5 W/(m·K)時(shí)即可解決疊層之間的熱阻影響。
導(dǎo)熱硅脂對(duì)于玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的影響,主要是由于多層玻璃樣品涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí),使樣品從“玻璃+空氣+玻璃”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安A?硅脂+玻璃”結(jié)構(gòu)。
圖6 導(dǎo)熱硅脂在對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量影響簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic diagram of the effect of thermal grease on the measurement of thermal conductivity
根據(jù)傳熱學(xué)原理可知,導(dǎo)熱系數(shù)與傳遞介質(zhì)的熱阻相關(guān)。多層材料介質(zhì)之間的熱阻可以按式(2)進(jìn)行計(jì)算。
R總=R玻1+R介質(zhì)層+R玻2+…
(2)
式中:R總為多層介質(zhì)的總熱阻,(m2·K)/W;R玻1為第一層玻璃的熱阻,(m2·K)/W;R介質(zhì)層為多層玻璃之間介質(zhì)層熱阻,(m2·K)/W;R玻2為第二層玻璃的熱阻,(m2·K)/W。
由此可知,多層玻璃之間介質(zhì)層的熱阻越大,對(duì)玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的影響越大,因此在多層疊加法測(cè)量玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),應(yīng)最大限度選用熱阻小的介質(zhì)層材料。
分別選用0~300 N加載壓力作用于由單片厚度為0.5 mm的石英玻璃疊加至厚度2.1 mm的疊層試樣,研究加載壓力對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的影響,測(cè)試結(jié)果如表3所示。
表3 加載壓力對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Table 3 Effect of loading pressure verification on thermal conductivity
從表3可知,隨著加載壓力增大,導(dǎo)熱系數(shù)趨于平衡。對(duì)于石英玻璃,當(dāng)沒(méi)有施加壓力時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.51 W/(m·K),當(dāng)加載壓力到200 N后,導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定為1.41 W/(m·K)。
關(guān)于壓力對(duì)玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的影響,Nilsson[14]和Johari[15]等的研究表明,玻璃的密度會(huì)隨壓力的增加而增加,從而使玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)下降。但本實(shí)驗(yàn)采用的多層疊加法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法與Nilsson[14]和Johari[15]等的理論并不相符,該理論僅適用于單層玻璃,對(duì)于疊層玻璃試樣,加載壓力的增大是為了克服空氣熱阻影響,當(dāng)加載壓力為0 N時(shí),冷熱極端面、玻璃片與玻璃片之間仍有空氣存在,致使測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重偏小。隨著加載壓力的增大,接觸面的空氣被排出,測(cè)試結(jié)果接近真值。
此外,當(dāng)加載壓力達(dá)到200 N時(shí),導(dǎo)熱硅脂的厚度減薄至0.02 mm左右,進(jìn)一步降低了導(dǎo)熱硅脂對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。但在測(cè)試條件下玻璃為脆性材料,壓力不能過(guò)大,否則會(huì)壓碎玻璃試樣,故測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)一般選擇加載壓力為200~300 N。
分別選用5組不同冷熱極溫差值,測(cè)試由單片厚度0.5 mm石英玻璃疊加至厚度2.1 mm的玻璃試樣,研究冷熱極溫差對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的影響,其中冷級(jí)溫度固定為20 ℃,其測(cè)試結(jié)果如表4所示。
表4 冷熱極溫差對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響Table 4 Effect of extreme temperature difference on thermal conductivity
從表4可知,隨著冷熱極溫差增大,導(dǎo)熱系數(shù)增大。當(dāng)冷熱極溫差只有10 ℃時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量值為0.73 W/(m·K),當(dāng)溫差增加到40 ℃以上,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量值趨于平衡,為1.41 W/(m·K),接近石英玻璃真值。這主要是因?yàn)楫?dāng)冷熱極溫差較小時(shí),熱流勢(shì)差小,熱流傳遞較難,導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏小。隨著冷熱極溫差的增大,熱流勢(shì)差變大,熱量從熱極流向冷級(jí)開(kāi)始變得容易,當(dāng)溫差到達(dá)40 ℃,熱流已經(jīng)達(dá)到了平衡狀態(tài),測(cè)試結(jié)果更加接近真值[16]。故采用多層疊片法測(cè)試超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),應(yīng)選擇冷熱極溫差不小于40 ℃。
(1)當(dāng)玻璃試樣疊加厚度達(dá)到一定值時(shí),才能建立熱平衡,且玻璃導(dǎo)熱系數(shù)越大,需要的疊加厚度越大,一般疊加厚度不小于2.0 mm。
(2)采用多片疊加法測(cè)量超薄玻璃導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),應(yīng)盡可能選用導(dǎo)熱系數(shù)大(熱阻小)的材料作為玻璃疊層之間和試樣兩側(cè)聯(lián)接材料。
(3)疊層之間的空氣是影響導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量重要因素,對(duì)試樣施加壓力和使用導(dǎo)熱硅脂可以減小空氣對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,其中加載壓力優(yōu)選為200~300 N,導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)不小于1.5 W/(m·K)。
(4)冷熱極溫差促進(jìn)穩(wěn)定熱流實(shí)現(xiàn),冷熱極溫差越大,越容易構(gòu)建穩(wěn)定熱場(chǎng),促進(jìn)疊層試樣導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果趨于真值,冷熱極溫差應(yīng)不小于40 ℃為佳。