柔性玻璃展薄过程的数值模拟及成形机理研究

发布时间：2020-09-17 15:37

　　柔性玻璃是近几年来国际上最新研发的兼具玻璃和塑料优点的一种极具应用价值的新材料,是玻璃制造业的一次重大技术革新。柔性玻璃可以弯曲,同时又具有玻璃的硬度、透明性、耐热性、电气绝缘性、不透气性以及在氧化和光照环境下稳定的机械和化学性能。柔性玻璃的耐高温性能可满足部分光电子器件必须进行高温处理的要求,其突出的弯曲性能以及卷绕性能使得采用连续式“卷对卷”印刷工艺来制备各类光电子器件成为可能,成为未来柔性印刷光电子器件的优选基材,有可能导致柔性显示和太阳能电池产业发生本质的变革和飞跃。目前,世界几大玻璃公司均已有柔性玻璃样品展示,并形成技术垄断,但柔性玻璃的应用尚未见产品问世。近年来,我国在超薄平板玻璃方面有了很大发展,但尚未开展柔性玻璃的研发,需要自主创新。国家将其列为“十三五”重点支撑计划,武汉理工大学将柔性玻璃的研发与应用列入“双一流”项目,本课题就是在这样背景下产生。论文采用狭缝下拉法开展柔性玻璃制备关键技术的研究,采用数学模拟与实证对比的方法,获得玻璃展薄过程的规律性认识。在此基础上设计了国内第一套柔性玻璃拉引平台,成功实现了厚度0.08mm,宽度200mm的柔性玻璃的连续拉引,实现了我国柔性玻璃“零”的突破。本论文的研究内容和结论是:(1)用Fluent软件对狭缝下拉法柔性玻璃的流动状态进行了数值模拟,得出流量Q受液面高度h_x、玻璃粘度η、狭缝宽度w_x、伸出长度l_x影响。方程为Q=K h_xw_x~2?l_xη,系数K随w_x变化。物理实验与模拟结果误差小于5%。(2)用Flow-3D软件对狭缝下拉法柔性玻璃拉伸变形状态进行了数值模拟,模拟得出厚度w与离开狭缝距离h的板根曲线方程:w=ae~(bh)+c。系数c是最终板厚,系数a=1?2 w_0-c(w_0是初始板厚),系数b与玻璃粘度成正比。板根长度由a和b决定,曲率由b决定。论文得出不同条件下的a、b、c值,为生产工艺提供参考。(3)通过柔性玻璃物理拉伸实验,研究板宽、板厚与拉边机速度、漏板温度和环境温度之间的关系。得出:最终板厚c_(min)与漏板温度T和拉边机速度v存在函数关系。c_(min)=AT~3+BT~2+CT+D;c_(min)=Kv ~E(A、B、C、D、E、K是系数)。铂金漏板温度1070℃以上时,玻璃板宽度无法维持。在1070℃以下,每种温度都对应一个最大拉边机速度与之匹配,超过最大速度就会发生板宽周期波动的“喘动”现象,对柔性玻璃制造危害极大。实验得出,漏板温度1057℃,空间温度800~850℃,拉边机速度25.5 mm/s,可以拉制出厚度0.08mm的柔性玻璃。(4)通过Fluent软件模拟研究溢流下拉法玻璃液溢出重量分布均匀性问题。得出其影响因素包括:槽顶倾角、玻璃粘度和入口压力。槽顶倾角调节玻璃液分布效果最好,最佳角度是4°~5°。玻璃粘度低于2000 Pa·s有助于玻璃液的质量均布。入口压力对调节入口近端玻璃液溢出重量效果明显,较好的压力范围小于19600 Pa。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ171.7
【部分图文】：

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图 1-1 柔性玻璃[24]Fig.1-1 Flexible glass[24]图 1-2 两点弯曲测试结果图[14]Fig.1-2 Two-point bending test results[14]1.1.2 柔性玻璃市场应用前景近年来，伴随着柔性电子设备的快速发展，柔性玻璃在柔性显示和柔性电

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图 1-2 两点弯曲测试结果图[14]Fig.1-2 Two-point bending test results[14]1.1.2 柔性玻璃市场应用前景近年来，伴随着柔性电子设备的快速发展，柔性玻璃在柔性显示和柔性电池等领域具有广阔的市场应用前景。例如柔性显示有可应用在汽车内饰或建筑物的屋檐、立柱、外壁等具有曲面的地方，颠覆传统显示器的应用（图 1-3）。柔性玻璃还可以应用于太阳能电池或有机 EL 照明以及电容器、燃料电池的间隔件[15]。目前市面上的柔性显示器大多采用高分子聚合物基板。高分子聚合物材料虽然具有较好的弯曲性能，但其热稳定性、抗压强度、透光性和化学稳定性等均不及玻璃制品。高分子聚合物基板材料的主要缺点是不耐显示器面板的高温制程，并且由于 OLED（OrganicLight-EmittingDiode）对水气和氧气十分敏感，作为封装的高分子聚合物材料无法胜任。另外，作为触摸屏面板材料，不耐划伤和

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易老化等缺点都制约了高分子聚合物材料在柔性显示器领域的开发应用。柔性玻璃的出现有望解决这些问题[2]。2010 年开始，世界上几大玻璃基板厂商不断提升技术水平，开发出更薄的玻璃基板。玻璃基板厚度从 2007 年 0.7 mm 减小到0.4 mm 和 0.3 mm，未来更朝向 0.2 mm、0.1 mm 甚至 0.05 mm 的厚度发展，柔性玻璃正是在这个背景下产生的[16]。

【参考文献】