الزجاج المقاوم للحرارة

الأنواع والخصائص والصدمات الحرارية والتطبيقات

ما هو الزجاج المقاوم للحرارة؟

الزجاج المقاوم للحرارة هو فئة من مواد ومنتجات الزجاج المختارة للحفاظ على الأداء المطلوب في درجات حرارة مرتفعة أو فروق في درجات الحرارة. وهو ليس مادة واحدة أو تصنيفًا عالميًا لدرجة الحرارة. بالنسبة للمهندسين وفرق المشتريات، تكمن الفروق الرئيسية في درجة حرارة التشغيل، ومقاومة الصدمات الحرارية، والقوة الميكانيكية، ومتطلبات التطبيق. فالنافذة المعرضة لحرارة ثابتة تواجه متطلبات مختلفة عن تلك التي تواجهها لوحة تعرضت فجأة لرذاذ الماء البارد. لذا، اختر الدرجة المناسبة والتصميم النهائي وفقًا لهذه الظروف، ثم تحقق من المكون المُجمَّع. [1-4]

إن السؤال المفيد عند الشراء ليس ببساطة "ما هي درجة الحرارة التي يمكن أن يصل إليها هذا الزجاج؟" بل هو "هل يمكن لهذا المكون أن يلبي متطلباته في جميع ظروف درجة الحرارة والتعامل والتركيب لدينا؟"

مقاومة الحرارة مقابل مقاومة الصدمات الحرارية

تتعلق مقاومة الحرارة بالأداء عند درجة حرارة معينة لفترة زمنية محددة. أما مقاومة الصدمات الحرارية فتتعلق بالإجهادات الناتجة عن التغير السريع في درجة الحرارة. كما يمكن أن يؤدي التسخين غير المتساوي إلى إجهاد حراري دون حدوث تغير مفاجئ في البيئة المحيطة: فقد يتمدد مركز ساخن وحافة باردة بشكل مختلف. وتميز شركة SCHOTT بين مقاومة فروق درجات الحرارة والصدمات الحرارية وحمل درجة الحرارة/الزمن في دليلها الخاص بالزجاج الخزفي للمدافئ. [2]

يقلل الزجاج المقاوم للصدمات الحرارية من المخاطر في ظل ظروف محددة، ولكنه لا يضمن النجاة في جميع حالات التسخين أو التبريد. يجب أن يحدد طلب اختبار فرق درجة الحرارة طريقة الاختبار، ودرجة الحرارة الابتدائية، وشكل العينة، ووسط التبريد، ومعيار القبول. [2، 3]

ما هي الخصائص التي تحدد مقاومة الحرارة؟

التمدد الحراري. يصف معامل التمدد الحراري التغير في الأبعاد مع تغير درجة الحرارة. يمكن أن يقلل التمدد المنخفض من الحركة التفاضلية، ولكن يظل الإطار وقيود التثبيت وتوزيع درجة الحرارة عوامل مهمة. يبلغ معامل التمدد الحراري المنشور لزجاج البوروسيليكات BOROFLOAT 33، 3.25 × 10⁻⁶ كلفن⁻¹ ضمن نطاق 20-300 درجة مئوية. هذا مثال خاص بنوع معين، وليس قيمة عامة لجميع أنواع زجاج البوروسيليكات. [1]

قدرة التحمل ضد الصدمات الحرارية. استفسر عن كيفية قياس الأداء المزعوم. فالتلامس بين الماء البارد وسطح ساخن، والتبريد بالهواء القسري، ودورات التبريد البطيئة في الحجرة، كلها عوامل تخلق ظروفًا مختلفة. قارن بين معايير التأهيل ومدى تعرض المنتج الفعلي للصدمات، بدلًا من الاكتفاء برقم واحد مثير للإعجاب.

درجة حرارة التشغيل ومدته. يختلف الاستخدام المتواصل عن التعرض القصير. تُصنّف شركة SCHOTT مادة BOROFLOAT 33 عند درجة حرارة 450 درجة مئوية للاستخدام طويل الأمد لمدة 10 ساعات على الأقل، و500 درجة مئوية للاستخدام لفترة أقصر تقل عن 10 ساعات. لا تُعتبر حدود المواد المنشورة هذه موافقة مستقلة على التجميع المطلي أو المُركّب أو المُحمّل بالضغط. لا تُعدّ نقطة التليين درجة حرارة تشغيل مسموح بها. [1]

الهندسة والحالة. يجب تضمين السماكة، وتشطيب الحواف، والثقوب، والفتحات، والخدوش، ونقاط التلامس في التقييم. لا تعتبر اللوحة السميكة حلاً تلقائياً للصدمة الحرارية. راجع البيانات الميكانيكية للجزء النهائي وسلوك التجميع إلى جانب الملف الحراري. [5]

أنواع الزجاج المقاوم للحرارة

استخدم الجدول كأداة فحص. فهو يقارن بين ثلاث مجموعات من المواد ومعالجة تقوية واحدة؛ وهذه ليست مستويات تصنيف قابلة للتبادل. يتطلب الاختيار النهائي تحديدًا دقيقًا للدرجة ومواصفات العملية.

معلومات أساسية عن عائلة المواد: المصادر 1 و2 و4 و6. إن توصيات فحص التطبيقات ومراجعة الموردين هي إرشادات هندسية وليست ضمانات للأداء.

يحتاج كل من البوروسيليكات والألومينوسيليكات إلى مراجعة مستوى الدرجة

يُعدّ البوروسيليكات خيارًا مناسبًا عندما يكون التمدد الحراري المنخفض والمتانة الكيميائية من العوامل المهمة. تُصمّم مركبات الألومينوسيليكات لأغراض مختلفة، بما في ذلك ركائز الشاشات والأغطية المتينة. ولا يُحدّد اسم المجموعة وحده تفضيل نوع على آخر في جميع التطبيقات الحرارية. لذا، يُرجى الحصول على بيانات درجة الحرارة والتمدد والخصائص الميكانيكية للنوع المُقترح. [1، 4]

راجع خيارات الركيزة والتشطيب من خلال صفحة اختيار مواد الزجاج المخصصة قبل تثبيت الرسم.

يلبي كل من السيراميك الزجاجي والزجاج المقسى احتياجات مختلفة

تجمع بعض أنواع الزجاج الخزفي بين التمدد الحراري شبه المعدوم والثبات الحراري العالي. يُعدّ زجاج روباكس مثالًا موثقًا على ألواح المواقد. أما زجاج الصودا والجير المقسّى، فيستخدم ضغط السطح لتحسين قوته ومقاومته للإجهاد الحراري؛ كما تتميز المنتجات المقسّاة بالكامل بنمط كسر مميز على شكل شظايا صغيرة. هذه المزايا لا تجعل المواد متكافئة. [2، 6]

أين يُستخدم الزجاج المقاوم للحرارة

أبواب الفرن والمدفأة. حدد بدقة وظيفة الجهاز. راجع النقاط الساخنة، والتدرجات الحرارية، ووقت التنظيف، ومسافات التركيب، والتشغيل المتكرر. لا تُعدّ لوحة عرض المدفأة مناسبة تلقائيًا لفرن مختلف أو حاجز مقاوم للحريق في المبنى. [2، 7]

معدات المختبرات والتحليلات. راجع دورات التسخين بالإضافة إلى التعرض للمواد الكيميائية والمتطلبات البصرية. تُعد مواد البوروسيليكات من المواد المرشحة بقوة للأواني الزجاجية المختبرية والمعدات الكيميائية؛ ومع ذلك، لا يزال توافق الكواشف يتطلب تقييمًا خاصًا بكل درجة. [8]

وحدات الإضاءة والهياكل المقاومة لدرجات الحرارة العالية. قيّم توزيع درجة الحرارة حول المصدر، ووقت بدء التشغيل والإيقاف، والأختام، وأي مناطق مطبوعة أو مطلية. تُستخدم أنابيب وألواح زجاج البوروسيليكات في تطبيقات الإضاءة الموثقة. [8، 9]

نوافذ المراقبة الصناعية. تعامل مع الضغط وأحمال الإحكام ودرجة الحرارة كمدخلات تصميم منفصلة. إن استخدام مادة شفافة مقاومة للحرارة ليس سوى بداية لمواصفات نافذة المراقبة. يجب تضمين متطلبات الضغط، وملامسة الحشية، والفحص البصري، والتجميع الفعلي في عملية التأهيل. [5]

أدوات الطبخ ومنتجات خدمات الطعام. تعتمد ملاءمة الفرن على المنتج النهائي وتعليماته. لا تعتمد على اسم المادة المصنوع منها الوعاء أو غطائه أو أي إناء آخر. توضح إرشادات أدوات الخبز للمستهلكين سبب ضرورة تحديد ظروف التسخين والاستخدام المسموح به. [10]

أغطية الأجهزة الإلكترونية أو المنزلية. قد يتطلب الغطاء مقاومة للصدمات، ودقة في الطباعة، وأداءً ممتازًا للمس، ومقاومة للمواد الكيميائية المستخدمة في التنظيف، بالإضافة إلى مقاومة للحرارة. استخدم درجة الحرارة المقاسة عند المكون، وتحقق من سلامة الطبقة الأساسية والطلاء والمادة اللاصقة.

كيفية اختيار الزجاج المقاوم للحرارة للمنتج

زوّد المورّد بملف التشغيل قبل طلب توصية بشأن المواد. فدرجة الحرارة القصوى وحدها لا تحدد أهم شروط التأهيل.

ملف تعريف درجة الحرارة: درجات الحرارة القصوى والدنيا، مدة التوقف، معدل التغير، عدد الدورات، ومصدر التسخين. يشمل ذلك تغير درجة الحرارة عبر اللوحة.

الصدمة الحرارية: حدد الرذاذ، والغسل، والتعرض للهواء البارد، أو التشغيل والإيقاف السريع. صف التعرض المحتمل وعدد مرات حدوثه.

الرسم: الأبعاد، والسماكة، والتفاوتات، والثقوب، ونصف قطر الزوايا، والفتحات، وتشطيب الحواف، ونقطة اتصال التركيب.

السطح والبيئة: النقل أو الضباب، الطباعة، الطلاءات، مواد التنظيف الكيميائية، وقت التعرض وظروف التشغيل.

خطة الموافقة: تكوين العينة، وطرق الاختبار، وعدد العينات، ومعايير القبول، ومتطلبات فحص الإنتاج.

ناقش قيود التصنيع من خلال صفحة معالجة الزجاج المخصصة ، وقم بمراجعة الرسم النهائي قبل أخذ العينات.

أسئلة شائعة

هل الزجاج المقاوم للحرارة آمن للاستخدام في الفرن؟

ليس تلقائيًا. يتطلب الاستخدام الآمن في الفرن موافقة الشركة المصنعة على المنتج النهائي لدرجة الحرارة وظروف التسخين المقصودة. اتبع تعليمات الشركة المصنعة للمنتج، بما في ذلك القيود المفروضة على التسخين المباشر والتغيرات المفاجئة في درجة الحرارة. لا يمكن أن تحل ورقة بيانات المواد محل إرشادات استخدام المنتج. [10]

هل الزجاج المقاوم للحرارة مقاوم للحريق؟

لا تُحدد مقاومة الحرارة تصنيف مقاومة الحريق. يُقيّم نظام الزجاج المقاوم للحريق في المباني كنظام متكامل، يشمل الزجاج والإطار والتثبيتات ومواد التزجيج. حدد أداء مقاومة الحريق المطلوب واحصل على أدلة تثبت صحة التركيبة المستخدمة. لا يمكن استبدال لوح زجاجي خزفي خاص بالمدفأة بنظام زجاجي معتمد للمباني. [7]

هل يمكن أن ينكسر أو يتشقق الزجاج المقاوم للحرارة نتيجة لتغيرات درجة الحرارة؟

نعم. قد تتجاوز تدرجات الحرارة، والتبريد السريع، والتلف الميكانيكي، أو إجهاد التركيب قدرة المكون. الزجاج المقاوم للصدمات الحرارية مقاوم في ظل ظروف محددة، ولكنه ليس غير قابل للكسر. راجع مصدر تدرج درجة الحرارة وترتيب التركيب بالكامل عند التحقيق في أي عطل. [2، 3، 5]

ما الفرق بين زجاج البوروسيليكات والزجاج المقسى؟

يشير مصطلح "البوروسيليكات" إلى تركيبة زجاجية، بينما يشير مصطلح "المعالجة الحرارية" إلى عملية تقوية. وهما ليسا متناقضين. تتميز أنواع البوروسيليكات بانخفاض معامل التمدد الحراري، في حين أن المعالجة الحرارية تزيد من ضغط السطح في ركيزة مناسبة. لذا، يُنصح بتحديد كل من المادة والمعالجة المستخدمة بدلاً من الاكتفاء بأحد المصطلحين فقط. [1، 6]

كيف يتم اختبار الزجاج المقاوم للحرارة

ضع خطة اختبار تتناسب مع ظروف التعرض الفعلية. قِس درجة حرارة المكون، وثبّته عند ظروف التشغيل المحددة، وطبّق دورات حرارية أو صدمات مماثلة. استخدم أبعادًا وحوافًا وتشطيبات وتركيبات مماثلة لتلك المستخدمة في الإنتاج. أضف اختبارات الضغط أو الصدمات أو المواد الكيميائية عند الحاجة.

سجّل درجات الحرارة في مواقع محددة، وأوقات التوقف والنقل، ووسيط التسخين أو التبريد، وعدد الدورات، وحالة العينة، وعدد العينات. حدد معايير الفشل قبل الاختبار: الشقوق، والتسرب، وفقدان الأداء البصري، وتلف الطلاء، أو تغير الأبعاد، حسب الاقتضاء. هذا إطار تأهيلي، وليس اختبارًا معياريًا عالميًا أو قدرة مصنعية مُعلنة.

اختر المادة وتحقق من صحة التجميع

ابدأ بدراسة خصائص درجة الحرارة، ثم اختر درجةً مناسبةً لاحتياجات مقاومة الصدمات الحرارية، والمتانة، والاستخدام. راجع عملية التصنيع والتركيب معًا. اعتمد المنتج النهائي باستخدام أدلة متفق عليها بدلًا من الاعتماد على ملصق عام لمقاومة الحرارة.

شارك ملف تعريف درجة الحرارة، والرسم، وقيود التجميع لإجراء مراجعة للمواد وقابلية التصنيع.

المصادر التقنية

[1] SCHOTT. BOROFLOAT 33 البيانات الفنية. ورقة البيانات بتاريخ 26 مارس 2019.

[2] شوت. روباكس - في المقدمة: السيراميك الزجاجي للمدافئ. كتيب، أبريل 2020؛ الخصائص الحرارية ودرجة الحرارة/الوقت.

[3] شوت. التفاصيل الفنية لـ BOROFLOAT. مناقشة الأداء الحراري.

[4] كورنينج. أساسيات تكنولوجيا الزجاج وتطبيقاتها في تغليف أشباه الموصلات المتقدمة. عرض تقديمي في مؤتمر ECTC، مايو 2019.

[5] SCHOTT. BOROFLOAT 33 أوراق بيانات الخصائص الميكانيكية وزجاج الرؤية. متوفرة في مجموعة تنزيلات BOROFLOAT.

[6] بيلكينغتون. الزجاج المقوى. إرشادات المنتج والمعالجة.

[7] بيلكينغتون. تركيب الزجاج المقاوم للحريق. ورقة بيضاء، 2016.

[8] شوت. تطبيقات أنابيب زجاج دوران.

[9] شوت. نظارات تقنية. كتيب، أبريل 2020.

[10] بايركس. الأسئلة الشائعة؛ ضمانات المنتج، السلامة والاستخدام. تعليمات المنتج النهائي.