一种玻璃板定向拉伸装置及拉伸方法

技术领域

本发明属于玻璃加工制造技术领域，具体涉及一种玻璃板定向拉伸装置及拉伸方法。

背景技术

超薄玻璃板是将特殊针状金属粒子定向分布于玻璃中，利用其内等离子体共振效应具有光学起偏性能的特种光学玻璃。该特种光学玻璃具有工作波段宽、入射角大、高光损伤阈值、高机械强度以及优异的耐高温性能，在光通讯领域具有极其重要的应用。

针对该种超薄特种玻璃批量制备关键技术环节拉伸工序，玻璃的软化拉伸是保证其拉伸均匀，得到厚度均一、金属粒子长径比稳定的核心关键点。而玻璃的软化则涉及到相关熔融加热设备，现阶段的加热设备在玻璃的拉伸过程中，设备内部温度梯度大，温场整体均匀性非常差，玻璃本身各处的软化程度不同，导致玻璃无法持续恒定拉伸，无法获得尺寸厚度均匀、金属粒子长径比稳定的目标玻璃。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种玻璃板定向拉伸装置及拉伸方法，用以解决现有拉伸设备无法获得尺寸厚度均匀、金属粒子长径比稳定的玻璃。

为实现上述目的，本发明提供一种玻璃板定向拉伸方法，其通过玻璃板定向拉伸装置实现，所述玻璃板定向拉伸装置包括竖向依次设置的夹持机构、加热机构和牵引拉伸机构，所述加热机构包括竖向依次设置的预热温区、熔融温区和保温温区；其包括如下步骤：

S1：预热加热机构，使得预热温区处于第一温度；

S2：夹持机构夹持待加工玻璃板并带动待加工玻璃板伸入预热温区，夹持机构带动待加工玻璃板持续下降，直至待加工玻璃板背离夹持机构一端进入熔融温区；

S3：加热机构二次加热，使得熔融温区处于第二温度，熔融温区对待加工玻璃板持续加热，所述第二温度不小于待加工玻璃板的玻璃化转变温度；

S4：待加工玻璃板背离夹持机构一端熔融下坠并与牵引拉伸机构接触，牵引拉伸机构牵引待加工玻璃板持续拉伸，得到目标玻璃板。

作为本发明的进一步改进，所述牵引拉伸机构包括有驱动电机和减速机；

所述步骤S4中牵引拉伸机构对待加工玻璃板的拉伸力F根据驱动电机的扭矩T、减速机的减速比i、驱动电机转速N和牵引拉伸机构对待加工玻璃板的拉伸速率V2计算得到。

作为本发明的进一步改进，所述牵引拉伸机构对待加工玻璃板的拉伸速率V2根据夹持机构夹持待加工玻璃板下降速率V1、待加工玻璃板宽度W1、待加工玻璃板厚度t1、目标玻璃板宽度W2、目标玻璃板厚度t2计算得到。

作为本发明的进一步改进，牵引拉伸机构对待加工玻璃板拉伸速率V2计算方式为：

V2＝V1*W1*t1/(W2*t2) (公式1)

作为本发明的进一步改进，牵引拉伸机构对待加工玻璃板的拉伸力F计算方式为：

F＝W2*t2*π*N*T*i/(30t1*W1*V1) (公式2)

作为本发明的进一步改进，所述牵引拉伸机构位于所述保温温区内，且所述保温温区温度为A～B。

本申请还包括一种玻璃板定向拉伸装置，其包括：

沿竖向依次设置的夹持机构、加热机构和牵引拉伸机构；

其中，所述夹持机构用于夹持玻璃板，并沿竖向将待加工玻璃板送入所述加热机构；

所述加热机构包括上下开口的加热腔体，所述开口用于待加工玻璃板的引入和引出；

所述加热腔体内包括有竖向依次设置的预热温区、熔融温区和保温温区；

所述牵引拉伸机构设于所述保温温区内，用于待加工玻璃板的牵引拉伸；

所述夹持机构与所述牵引拉伸机构之间设有控制器，所述控制器分别与所述夹持机构和所述牵引拉伸机构电连接，用于感知所述夹持机构的移动速率并控制所述牵引拉伸机构牵引待加工玻璃板的牵引速率，并使得待加工玻璃板匀速拉伸。

作为本发明的进一步改进，所述预热温区、熔融温区和所述保温温区内均设有至少一个加热单元，且各所述加热单元的加热温度单独可调。

作为本发明的进一步改进，所述加热机构的周向侧壁上设置有多个热感应机构，各所述热感应机构分布在所述预热温区、熔融温区和保温温区处。

作为本发明的进一步改进，所述预热温区竖向长度大于所述熔融温区竖向长度。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

(1)本发明的玻璃板定向拉伸方法，其通过将加热机构分段设置为预热温区、熔融温区和保温温区，并通过夹持机构将待加工玻璃板置于预热温区进行加热，通过使得待加工玻璃板处于第一温度区间进行加热，使得待加工玻璃板进入熔融温区时可快速熔融软化，并通过夹持机构对软化状态玻璃进行拉伸，使得待加工玻璃板处于匀速拉伸状态，得到的目标玻璃板具备较好的均一性，并且待加工玻璃板的匀速拉伸，使得待加工玻璃板内的金属粒子可以属于一个较为稳定的拉伸状态，进而获得金属粒子长径比恒定拉伸的超薄玻璃板。

(2)本发明的玻璃板定向拉伸方法，其通过在预热温区内对待加工玻璃板进行初步预热，其一方面可以便于待加工玻璃板进入熔融温区后快速熔融软化，便于牵引拉伸机构的牵引拉伸，其另一方便可以避免待加工玻璃板大部分处于熔融软化状态，使得待加工玻璃板过于容易拉伸，造成金属粒子无法得到有效拉伸。

(3)本发明的玻璃板定向拉伸方法，其通过设置预热温区、熔融温区和保温温区，以确保待加工玻璃板在熔融拉伸的前后阶段具备温度缓冲区域，避免待加工玻璃板竖向温度变化梯度过大，造成待加工玻璃板内部产生较大热应力，导致待加工玻璃板的翘曲。

(4)本发明的玻璃板定向拉伸方法，其通过严格计算控制待加工玻璃板的下降速率与牵引拉伸机构对待加工玻璃板的拉伸力，使得待加工玻璃板在一个稳定加热熔融区间时，牵引拉伸机构可对待加工玻璃板匀速稳定拉伸，进而获得形状尺寸均一的目标玻璃板，且待加工玻璃板内的金属粒子处于一个恒定匀速的拉伸状态，以获得金属粒子长径比拉伸稳定的超薄玻璃板。

(5)本发明的玻璃板定向拉伸装置，其通过控制器严格感知夹持机构的移动速率与牵引拉伸机构的牵引速率，确保熔融软化状态待加工玻璃板的恒定拉伸，并利用热感应机构实时感知加热机构中预热温区、熔融温区和保温温区各段的温度，保证待加工玻璃板的恒定软化拉伸以及拉伸后的成型，确保目标玻璃板的稳定成型。

附图说明

图1是本发明实施例中玻璃板定向拉伸装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中预热温区的结构示意图；

图3是本发明实施例中熔融温区的结构示意图；

图4是本发明实施例中加热单元的其中一种结构示意图；

图5是本发明实施例中加热单元的其中一种结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：

1、夹持机构；2、待加工玻璃板；3、预热温区；4、熔融温区；5、牵引拉伸机构；6、保温温区；7、支架；8、加热单元；9、加热丝；10、陶瓷纤维。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

常规特种超薄玻璃制备过程中，预制特种玻璃板的均匀熔融与稳定拉伸是其生产过程中的重要环节，其决定着特种超薄玻璃的消光比与粒子长径比等重要性能参数，传统的开放式单温区加热炉的炉体无法满足预制特种玻璃板的加热与稳定拉伸需求，具体从以下几个方面体现：

1、开放式的单一温区加热炉因与炉外环境存在较大的热交换导致炉内温度梯度非常大，温场均匀性差，使得预制特种玻璃板在熔融软化过程中在厚度方向上翘曲变形严重、且其在宽度方向上也无法同步熔融，甚至会出现熔融的预制特种玻璃无法伸出加热炉底部开口的问题；

2、温场中较大的温度梯度也会使得熔融的预制特种玻璃板内部存在较大的热应力，当其在加热炉底部较低温度的冲击时会出现明显的裂纹，甚至出现炸裂；

3、熔融后的预制特种玻璃板离开单一温区加热炉后，会因炉外环境温度较低迅速冷却硬化，导致其在拉伸阶段直接碎裂，而无法实现有效定向拉伸。

基于此，本申请提出玻璃板定向拉伸装置及拉伸方法，具体如下：

请参阅图1～5，本发明中超薄玻璃板定向拉伸方法主要通过玻璃板定向拉伸装置来实现。

具体地，本申请中的玻璃板定向拉伸装置包括有沿竖向依次设置的夹持机构1、加热机构和牵引拉伸机构5；其中，夹持机构1用于夹持玻璃板，并沿竖向将待加工玻璃板2送入加热机构，加热机构包括有上下开口的加热腔体，上述加热腔体上的开口用于待加工玻璃板2的引入和引出；加热腔体内包括沿竖向依次设置的预热温区3、熔融温区4和保温温区6，并且上述牵引拉伸机构5设置在保温温区6内，用于对熔融软化状态的待加工玻璃板2进行牵引拉伸；该夹持机构1与牵引拉伸机构5之间还设有控制器，控制器分别与夹持机构1、牵引拉伸机构5电连接，其主要用于感知夹持机构1的移动速率并对应控制牵引拉伸机构5牵引待加工玻璃板2的牵引速率，以使得待加工玻璃板2匀速拉伸。

本申请中的玻璃板定向拉伸装置主要用于通过实时感知夹持机构1带动待加工玻璃板2下降速率，并对应控制牵引拉伸机构5的牵引速率，以使得熔融软化状态的待加工玻璃板2受到恒定拉伸力；同时通过加热机构对待加工玻璃板2恒定加热，使得待加工玻璃板处于恒定熔融软化状态，在控制待加工玻璃板2的软化状态与牵引力的状况下，使得待加工玻璃板2的拉伸处于动态平衡状态，确保待加工玻璃板2恒定拉伸，保证待加工玻璃板2内金属粒子长径比稳定拉伸。

优选地，本申请中的夹持装置上设有拉伸力传感器，该拉伸力传感器用于感知熔融软化状态待加工玻璃板2的拉力数据，当拉伸力传感数据稳定时，证明待加工玻璃板2处于恒定拉伸状态，当时拉伸力传感数据波动时，证明待加工玻璃板2拉伸力波动或待加工玻璃熔融软化速率不稳定。优选地，上述牵引夹持机构1两端水平伸出保温温区6，并在牵引夹持机构1下方设置支架7对其进行支撑。即加热机构的侧壁上对应开设通孔，牵引夹持机构1的两端对应从通孔处穿出加热机构，并通过支架7进行支撑。值得注意的是，加热机构侧壁上的通孔需要对应密封处理，以避免加热机构内部热量从通孔处逸散到外部。

进一步地，本申请中的预热温区3、熔融温区4和保温温区6内均设有至少一个加热单元8，且各加热单元8之间的温度单独可调。本申请中的加热机构包括有加热腔体，预热温区3、熔融温区4和保温温区6采用可拆卸形式嵌设在加热腔体内，且各温区实质上由各加热单元8构成，各温区通过不同数量的加热单元8构成，以形成不同的温度区域。并且各温区内的加热单元8温度和数量可调，以适应不同加热需求的待加工玻璃板2。

进一步地，上述各温区内加热单元8均采用一定长度的耐高温加热丝9按照一定方式绕制，其可通过环向缠绕形式或者竖向缠绕形式布置，然后通过负压成型嵌设在陶瓷纤维10内成型。并且，加热丝9的长度可根据加热所需功率计算得到，各加热丝9之间间距也可根据加热丝9直径及负压成型工艺参数进行选取。优选地，各加热单元8的陶瓷纤维10主体的上下端口处预留镶嵌缺口，方便各温区的加热单元8进行组装嵌设。

进一步地，上述加热机构内预热温区3、熔融温区4和保温温区6之间分别设置隔热层，该隔热层，隔热层上同样开设供待加工玻璃板2穿过的通孔，隔热层能够在一定程度上降低熔融温区4内温度向预热温区3和保温温区6逸散。由于预热温区3和保温温区6上需要开设供待加工玻璃板2与目标玻璃板穿过的通孔，加热机构上下端热量逸散较为严重，因此需要在各温区之间设置隔热层，以降低加热机构向上下两端逸散的热量。

此处加热机构设置预热温区3、熔融温区4和保温温区6的目的在于首先通过预热温区3对待加工玻璃板2进行初步加热，待加工玻璃板2在玻璃化转变温度之间不会发生熔融问题，通过控制预热温区3温度，能够使得待加工玻璃板2在熔融温区4时快速上升至熔融温度区间，便于牵引拉伸机构5对待加工玻璃板2的拉伸。同时，待加工玻璃板2直接从常温进入到熔融温区4会导致其温度梯度变化较大，造成待加工玻璃板2内部产生较大热应力，造成待加工玻璃板2的翘曲问题。并且，当待加工玻璃板2处于熔融温区4部分较多时，待加工玻璃板2熔融软化情况严重，其在重力下下坠现象严重，其拉伸容易，导致其内的金属粒子无法得到有效拉伸，金属粒子长径比无法得到保证，因此需要预先设置预热温区3，在避免待加工玻璃板2提前熔融的前提下，使得待加工玻璃板2在进入熔融温区4后可快速熔融软化。

进一步地，为了避免待加工玻璃板2大部分区域处于熔融温区4，而导致其提前熔融软化的问题，此处预热温区3的竖向布置长度h1优选大于熔融温区4的竖向布置长度h2，使得待加工玻璃大部分区域处于预热状态，并可在进入熔融温区4后快速软化。

同时加热机构内预热温区3、熔融温区4和保温温区6之间通过热对流与热辐射的方式实现加热机构内部热量的交换，实现整个加热机构内部温场耦合，以确保加热机构内温度在一定范围内形成梯度温度区间，其方便待加工玻璃板2内金属粒子沿重力方向均匀熔融流动，确保金属粒子在向下拉伸力作用下沿拉伸力方向延展，以实现金属粒子长径比拉伸的目的。

进一步地，上述保温温区6的设置是为了避免从熔融温区4出来的待加工玻璃板2快速冷却造成硬化，导致牵引拉伸机构5拉伸时直接碎裂的问题。并且，上述保温温区6的温度需要严格设定，并与熔融温度的温度具备一定温度差。保温温区6与熔融温区4之间的温差设计是为了避免金属粒子拉伸之后在熔融温度下发生回弹现象，通过一定温差设计降低金属粒子的回弹。

进一步优选地，本申请中的加热腔体的周向侧壁上设置有多个热感应机构，且各热感应机构分布在预热温区3、熔融温区4和保温温区6处，用以对各温区的温度进行监控，以随时调整各温区温度，使其处于动态平衡状态。具体地，上述热感应机构为热电偶，同时加热腔体周向侧壁上开设有多个供热电偶插设的通孔。优选地，热电偶插设数量可根据实际测试精度进行布置，并在未插设热电偶的通孔处填充保温材质进行堵塞，以避免热量的逸散。

进一步地，本申请中的玻璃板定向拉伸方法通过上述玻璃板定向拉伸装置来实现，其包括如下步骤：

S1：预热加热机构，使得预热温区3处于第一温度；

S2：夹持机构1夹持待加工玻璃板2并带动待加工玻璃板2伸入预热温区3，夹持机构1带动待加工玻璃板2持续下降，直至待加工玻璃板2背离夹持机构1一端进入熔融温区4；

S3：加热机构二次加热，使得熔融温区4处于第二温度，熔融温区4对待加工玻璃板2持续加热，该第二温度不小于待加工玻璃板2的玻璃化转变温度；

S4：待加工玻璃板2背离夹持机构1一端熔融下坠并与牵引拉伸机构5接触，牵引拉伸机构5牵引待加工玻璃板2持续拉伸，得到目标玻璃板。

具体地，上述步骤S1中加热机构温度上升通过对加热机构整体加热进行，并且预热温区3的第一温度优选为450±10℃，450℃低于常规待加工玻璃板2的玻璃化转变温度，使得待加工玻璃板2不至于形变，并与待加工玻璃板2的玻璃化转变温度(500～800℃)相近，避免待加工玻璃板2熔融软化的同时，使得待加工玻璃板2进入熔融温区4后可快速达到熔融软化温度，此处待加工玻璃板2的玻璃化转变温度根据玻璃板本身特性决定。

进一步地，上述步骤S3中加热机构二次加热通过其内部的加热单元8实现，该熔融温区4所处的第二温度不小于待加工玻璃板2的玻璃化转变温度，其第二温度根据待加工玻璃板2的实际玻璃化转变温度进行调整，通常情况下第二温度比待加工玻璃板2玻璃化转变温度高5℃～35℃，在确保待加工玻璃板2熔融软化的同时避免其融化程度过高，影响金属粒子的拉伸。

进一步地，上述玻璃板定向拉伸方法需要实现待加工玻璃板2的恒定拉伸，其依托于牵引拉伸机构5的牵引拉伸力与夹持机构1的夹持送料速率。

具体地，该牵引拉伸机构5包括有驱动电机和减速机，并且牵引拉伸机构5对待加工玻璃板2的拉伸力F根据驱动电机的扭矩T、减速机的减速比i、驱动电机转速N和牵引拉伸机构5对待加工玻璃板2的拉伸速率V2计算得到，具体如下：

F＝T*i*π*N/(30*V2) (公式3)

进一步地，上述牵引拉伸机构5对待加工玻璃板2的拉伸速率V2根据夹持机构1夹持待加工玻璃板2下降速率V1、待加工玻璃板2宽度W1、待加工玻璃板2厚度t1、目标玻璃板宽度W2、目标玻璃板厚度t2计算得到，具体如下：

V2＝V1*W1*t1/(W2*t2) (公式1)

通过将公式1中V2代入公式3，可得到牵引拉伸机构5对待加工玻璃板2的拉伸力F计算方式，具体如下：

F＝W2*t2*π*N*T*i/(30t1*W1*V1) (公式2)

在目标玻璃板进行制备过程中，上述目标玻璃板的宽度W2、厚度t2已知，待加工玻璃板2宽度W1、厚度t1已知，驱动电机扭矩T、减速机减速比i、驱动电机转速N、夹持机构1夹持待加工玻璃板2下降速率V1均可通过设定得到，即可得到牵引拉伸机构5对待加工玻璃板2的拉伸力F。在牵引拉伸机构5对待加工玻璃板2的拉伸力确定、加热机构温度恒定的情况下，可确保目标玻璃板尺寸的稳定拉伸。并且，通过上述拉伸方法可获得厚度在0.1～1mm之间的目标玻璃板。

进一步地，上述牵引拉伸机构5位于保温温区6内，以确保目标玻璃板降温成型，为了避免目标玻璃板内被拉长的金属粒子回弹，该保温温区6温度优选在200～300℃之间。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。