红外辐射加热在汽车玻璃热弯曲中的应用

       随着汽车工业的发展，汽车玻璃的需求增加，人们对其功能需求趋于多样化。热反射汽车玻璃由于安全性高，而且具有特殊的隔热功能，使其在汽车上得到广泛的应用。

       热反射汽车玻璃主要在钢化玻璃的夹层面上镀制Low-E 膜。Low-E 膜最显著的特性是对远红外反射率高，对近红外反射率低，而对可见光透过率高。当太阳光通过这种玻璃时，Low-E 膜能反射太阳光谱中的红外线，从而阻隔太阳光中66％以上产生热效应的红外辐射透射到车内，大幅降低空调的负荷，达到节油降耗、减少排放的目的，同时可以使阳光中的可见光透过，起到采光的作用。

       汽车玻璃热加工成型中玻璃的加热是非常关键的一个过程。汽车玻璃弯曲形状复杂化的趋势，使得传统的玻璃热弯曲技术需要面对的问题是：如何在得到复杂形状的前提下保证玻璃薄膜的性能。

       热发射汽车玻璃的主要加工过程是把两块相同尺寸玻璃通过胶粘剂胶合，其中一块表面镀有Low-E 膜，且Low-E 膜须位于两块玻璃夹层之间。玻璃在辐射加热到一定温度后(580～750℃)置于模具上，在自重作用下热玻璃弯曲与模具贴合。弯曲过程中需要继续给玻璃加热，使其保持在合适的弯曲温度范围内。复杂的弯曲形状甚至需要进行模压弯曲或者二次弯曲。玻璃加热过程中膜的性能也在发生改变，Low-E 膜中起作用的主要为金属银膜及其它保护膜。适当加热温度对玻璃的可见光透过率是有益的，只是因为保护膜在加热中发生氧化，使膜的可见光透过率增加。但是随着温度的持续增加，Low-E 膜中的银层在高温下烧毁，光学性能反而会逐渐降低，其中可见光透过性下降最为明显。然而，玻璃的粘度是随着温度的升高而降低，为了得到深弯玻璃，需要使玻璃达到很高温度或者增加弯曲的时间，这两种方式对膜的性能都是不利的。

       一些厂家通过改善膜的性能提高膜层中银的抗氧化性，使弯曲中Low-E 膜能够承受更高的温度，但是这样不仅使膜的成本增加，而且取得的效果不是很显著。而从膜层的物理性能上进行研究，改进加热技术，则取得了较大的成功。后者依据主要的原理是在发热元件的辐射光谱与被加热工件吸收光谱的匹配性，当两者吸收光谱相匹配时，热效率最高，反之则热效率就低。利用膜层与玻璃的吸收光谱差异，使辐射波长集中在玻璃吸收范围内，降低对膜层的加热效果，在玻璃达到弯曲温度范围时，膜层能在一个相对低的温度水平上。成功的技术有近红外辐射过滤技术。

电热辐射加热玻璃时有效光谱主要为红外线，辐射的能量也集中在红外波长附近。红外线按波长可分为近红外(700~4000 nm)、中红外(4000~8000 nm)和远红外(>8000 nm)。表1为不同温度下红外线的辐射能分布，由表可见，近红外线占很大比率的红外线辐射能，随着加热元件温度升高，比率会显著增大。

图1为普通透明玻璃与Low-E 膜对不同波长红外线的吸收率曲线，从图中可知，Low-E 膜由于其本身的性能，对近红外吸收率很大，尤其是对波长在1000 nm左右的红外线吸收能力最强，室温时就能达到20％~30％；吸收能力也与温度相关，随着温度的升高而增加。例如在500℃时Low-E 膜对波长在1000nm左右的红外线吸收率达40％~60％，而普通玻璃由于Si-O 和Si-O-H 键的作用，对红外波长存在选择吸收性，吸收光谱主要是在中红外以及远红外区域。表1中随着发热元件的温度升高，辐射能分布逐渐向近红外偏移，所以采用提高发热元件温度增加玻璃加热速率的方式效果有限，反而容易使膜层过热。因此辐射元件的温度一般控制在800~900℃范围。

图1 普通透明玻璃与Low-E 膜对不同波长红外线的吸收率

汽车玻璃在辐射条件下加热时，大量的近红外线穿过玻璃基板，到达玻璃膜层。由表1得知近红外线所含的热量在871℃时要大于中红外和远红外之和，对膜的加热效果非常显著。通过热传导把部分热量传递给玻璃基板，但是由于传导率的限制，传递热量相对于膜的吸收热量而言只是很小的一部分，并不能有效降低膜层的温度。在弯曲夹层镀膜时，采用辐射加热使玻璃达到软化点时，膜层温度能超过玻璃基板100℃。并且玻璃弯曲过程需要一定时间，玻璃膜要在高温下保持较长时间，所以当把玻璃弯曲到所需形状时，膜层会由于过热发生扩散以及氧化等现象，严重破坏膜的光学性能。

为了在玻璃弯钢化成型过程中最大程度保护膜层的光学性能，必须使膜的温度保持在一个较低的范围内。George 等提出了一个有效的措施，通过对辐射能中近红外线进行过滤，使辐射到玻璃上的主要是波长为4000~8000 nm的红外线，波长与玻璃板的吸收范围相匹配。针对玻璃基板进行加热，便可有效避免膜的过热现象，并且提高加热速率，实现节能。

图2 红外过滤加热示意图

近红外过滤的原理主要有两种：

(1) 过滤板通过辐射或热传导吸收加热元件热能，使本身温度上升，再向玻璃辐射能量，由于过滤板材质原因，辐射的波长范围主要集中在中红外和远红外范围内；

(2) 在普通加热单元的表面粘贴或镀制对近红外有很强吸收而对远红外和中红外有较强透射作用的膜。在用过滤板对近红外线进行吸收时，过滤效果随材料不同有很大的差距，文献[5] 给出了铝硅酸盐玻璃纤维材料过滤板500~900℃辐射率分布范围，高温时主要辐射大于51μm的红外波，铝硅酸盐玻璃纤维材料过滤板能过滤约70％的近红外，而且对中红外和远红外减弱效果不明显，一般减小量大约为10％~20％。

另外一种措施是加热元件本身辐射的波长在中红外或 ( 和) 远红外，而不需要通过过滤，类似于过滤方式中的第2种方法。

由于近红外线大部分被过滤，辐射对膜的加热效果显著降低，温度上升速率较玻璃基板要缓慢。当玻璃达到合适温度进行弯曲成型时，膜温要比玻璃温度低，有效防止过热而损坏性能。George 通过实验验证，在保证膜性能的前提下，红外过滤技术能使玻璃的弯曲深度提高50％，并且热量没有因加热膜而消耗，对过滤板热量采取一定措施回收利用，这样用相对少的能源就可以维持加热元件的正常温度，相比传统的辐射加热节省能耗可达30％。由于过滤板对中红外和远红外也有一定过滤作用，降低向玻璃辐射的能量，影响加热速率。根据实际工况，通过适当提高加热元件的温度来增加总辐射能，提高玻璃加热速率，加大产能。

如果用红外过滤辐射与全对流加热技术组合加热其效果更好。这种方式把玻璃的加热分为两步：第1步为预热，其加热采用对流加热技术，使玻璃的温度快速升高到400~550℃；第2步再用红外过滤辐射加热，以便精确控制设置炉内的温度曲线。对于光学性能要求很高的汽车夹层镀膜玻璃，红外过滤辐射很适用，不仅降低成本，相比辐射对流加热而言炉温更易控制，操作也要简便。