基于相似原理的基板玻璃鉑金通道澄清物理模擬試驗研究

俞超 徐劍 楊威 王夢龍 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國家工程研究中心 咸陽 712000）

0 引言

隨著電子信息顯示產業的快速發展，作為液晶顯示器部件的基板玻璃需求量與日俱增，同時基板玻璃朝大尺寸高世代方向發展，旨在提供更大、更高質量的顯示器，以滿足用戶對更好觀看體驗的需求，其對玻璃的低膨脹率、高通過率、內外部缺陷的規格及數量都有特殊的要求，其中氣泡缺陷是基板玻璃制造過程中最主要的控制指標?；宀ＡС吻逯饕^程是通過加熱的方式來提升玻璃液溫度，促進玻璃液中氣泡聚集、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。為進一步驗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進行，整體運行處于高溫環境，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。

針對提升基板玻璃澄清效果的研究，張軍鋒等［1］分析了氣泡產生的原因，得出用于抑制界面氣泡生成的環境濕度控制方法；孫承緒等［2］通過對澄清理論數學模型的分析，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、成分和澄清機理，重點分析澄清劑、攪拌或改進鉑金通道內部的結構等方式增強玻璃液的澄清效果；彭壽等［4］研究了澄清劑氧化錫含量對TFT-LCD 基板玻璃澄清效果的影響，通過高溫熔融觀察系統定量研究了澄清過程中氣泡熔占比、氣泡平均直徑、氣泡個數的變化，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，分析了氣泡澄清機理及負壓澄清技術原理和設計結構，為中通道澄清均化設計研究提供參考和借鑒。以上文獻中針對玻璃液澄清的研究主要是基于數學模型對澄清機理進行分析，而通過物理試驗對澄清過程開展離線研究較少。由于玻璃液澄清物理試驗具有直接觀察、變量控制、可重復性等優點，其試驗的結果有助于驗證澄清理論模型，并為澄清技術和應用提供支持和指導，因此開展基板玻璃澄清物理試驗具有重要意義。

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，試制鉑金通道模擬試驗裝置，通過物理模擬試驗開展基板玻璃通道澄清過程的研究。試驗采用硅油作為模擬液，通過控制引出量、氣泡大小及黏度，實現對玻璃液澄清過程離線物理模擬試驗，解決了對澄清過程在線研究困難的問題，該試驗結果可為大流量下澄清區鉑金本體設計和澄清工藝探究提供依據和參考。

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，建立研究玻璃液澄清和模型試驗之間的相似關系，從而保證模型試驗出現的物理現象與原型相似。

物理澄清模擬過程中玻璃液相似材料的選取應具備以下條件，以維持試驗的科學性以及可操作性：①材料的物理性質與玻璃液相似，即具有流動性和黏度相似性；②通過改變配比可以改變該材料的黏度等物理性質；③具備操作性和安全性等。

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

①忽略通道玻璃液因溫度不均勻導致玻璃液在截面以及流向上黏度的不一致性對澄清排泡產生的影響，即假設澄清管內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，實際澄清過程中，這種摩擦力會更小，即假設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反應對澄清排泡產生的影響，即假設排泡過程為純物理過程，無化學反應；

④忽略其他復雜因素，如澄清過程中氣泡的碰撞長大等對澄清排泡的影響。

1.2 通道澄清物理模擬相似準則

模型與原型相似要求兩者的所有要素必須對應相似，包括物理要素與幾何要素，具體表現在各物理量對應場的相似。兩個物理現象相似要求其各個物理量對應位置及對應時間上大小成比例，并且矢量方向要一致，在流動現象中若要兩種流動相似，一般應滿足幾何相似、運動相似與動力相似。本文中通道澄清物理模擬試驗模型的相似系數設置及依據如下。

（1）幾何相似

試驗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）對應物理量長度；A表示原型（p）與模型（m）對應物理量面積；V表示原型（p）與模型（m）對應物理量體積；ll， lA， lV表示原型（p）與模型（m）對應物理量長度、面積及體積比尺。

本文中通道澄清物理試驗模型是根據實際通道澄清管原型按1∶1比例制作，因此該試驗過程中的長度比尺ll＝1。

（2）運動相似

流體的運動相似即速度場相似，兩運動相似要求原型與模型各點的速度大小呈一定比例、方向相同。兩運動相似的速度與加速度比尺為：

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

由于通道澄清物理試驗模型是按照長度比尺試制，本文通過控制模擬液的流量來實現對模擬液流速的控制，保證與通道澄清管原型中的流量保持一致，因此該試驗過程中的速度比尺lu＝1。

（3）動力相似

動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，對于流動現象，兩流動動力相似要求：

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

本文通道澄清物理試驗模型在設置長度與速度比尺的基礎上，通過配置不同黏度的硅油來作為模擬液，同時保證模擬試驗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過程中流動動力具備相似性。

（4）相似準則數

Re數（雷諾數），是表征慣性力與黏性力比值量度的無量綱準數，與黏性流動相關的模型試驗應該考慮Re數，其表達式為：

式中：r——密度，g/cm3；

v——速度，m/s；

l——特征尺度，m；

m——動力黏度，N·s/m2。

本試驗為黏性流體的相關試驗，因此氣泡在模擬液體中應保證在流向方向以及非流向方向上運行與原模型中運行相似，即保證雷諾數相等，測量計算出實際玻璃液中氣泡在兩個方向的速度，進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計

2.1 參數設計

為降低澄清物理試驗誤差，提高了試驗可靠性，更直接地將試驗數據應用于實際情況，按照比例1∶1試制通道澄清模擬模型，保證試驗條件的可控性和可重復性。

硅油（PDMS）是一種有機硅化合物，其黏度范圍很廣，較低黏度的硅油流動性較好，類似于水的流動性，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，即可以根據需要進行不同比例的稀釋，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、外界環境、澄清管結構、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化為某幾個影響因素，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 物理模擬試驗裝置

模擬試驗裝置包括主體裝備系統、動力系統、氣泡產生系統及測量系統，如圖2所示。

圖2 澄清物理試驗模擬裝置結構示意圖

（1）主體裝備系統：澄清管采用透明有機玻璃材料，便于試驗中觀測；

（2）動力系統：包括油泵及對應管路，實現硅油在特定流量下的循環流動；

（3）氣泡產生系統：在一定條件下可控制氣泡產生的大??；

（4）測量系統：采用高性能相機捕捉氣泡排泡過程及時間。

通道澄清物理模擬試制裝置關鍵參數如表1所示。

表1 澄清模擬裝置關鍵參數

3 基板玻璃通道澄清物理模擬試驗

（1）根據當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，分別對應當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裝置中，通過動力系統及閥門調節，進行模擬試驗前裝置調試，如圖3所示。保障每組試驗均在規定流速4.5～7.0 m/h流量下循環流動，并維持規定液面高度，保證硅油液面穩定；

圖3 通道澄清物理模擬試驗裝置

（3）通過氣泡產生系統在澄清裝置入口處硅油中產生不同大小直徑的氣泡；

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

4 試驗結果與分析

4.1 引出量對澄清效果影響分析

根據玻璃液澄清物理模擬所需的引出量數據，結合通道試驗模型以及液面高度等尺寸計算模擬試驗的硅油流速，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，用高性能相機進行跟蹤拍照記錄不同直徑氣泡的排泡時間，得到氣泡時間、直徑與流速關系，如圖5所示。試驗結果表明當前引出量保持920 kg/h，在澄清管尺寸不變條件下，隨著引出量的增大，澄清排泡時間越短，排泡直徑增大；當引出量增至980 kg/h以上時，玻璃液澄清效果發生質的變化，即澄清效果已經無法滿足基板玻璃生產的要求。

圖4 引出量與流速關系圖

圖5 排泡時間、直徑與流速曲面圖

4.2 黏度對澄清效果影響分析

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，用高性能相機進行跟蹤拍照記錄不同直徑氣泡的排泡時間，得到排泡時間、直徑與黏度關系，如圖6所示。試驗結果表明：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，排泡時間呈現指數型增大；②在試制設備現有尺寸條件下，對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生擴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 排泡時間、直徑與黏度等線值圖

5 結語

通過開展基板玻璃通道澄清物理模擬試驗，有效解決了澄清過程無法在線研究的問題，通過控制變量對影響因素的調整和對試驗結果觀察，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系，驗證在現有通道結構尺寸下，玻璃液黏度與引出量對澄清效果的影響，為大流量下澄清鉑金本體設計和澄清工藝探究提供依據和參考。