女子洗澡时浴室玻璃门突然炸裂,致其全身被割伤右手筋被切断,钢化玻璃为何会爆炸?日常使用时要注意什么?

发布时间:
2025-03-21 17:08
阅读量:
4

不要听到是钢化玻璃,就以为是防弹玻璃,就使劲造。

二者是完全不一样的。

首先呢,钢化玻璃其实是普通玻璃经过加热急冷处理所形成的:

从600~700°C的玻璃软化点,辅以高压气流吹气,使其迅速冷却。
玻璃表面受冷收缩,产生很高的压应力。
由于中心冷却更慢,最后凝固时,内部会产生很高的拉应力。

从左到右,从上到下:高温、急冷、应力产生、压应力(左)与张应力(右)关系

两侧的压应力层, 约1/6玻璃厚度

钢化玻璃上的特殊张力分布,使其在受到外部压力时,更不容易破裂。

一般来说,经过钢化处理的玻璃,强度可提高到原来的3~5倍,甚至以上。

玻璃越厚,强度增益越大。

钢化玻璃的钢化程度,和冷却前加热温度的高低有关。

关系式如下:

即为钢化玻璃的强度。
为退火玻璃的表面强度。
为应力光学常数,2.5×10^-7 cm^2/kg。
为玻璃表面层应力与中间层应力的比例系数。
为钢化程度,mm/cm(也即1cm光程内的光程差)。

钢化程度 ,与温度呈现 S 曲线增长关系。

从关系图可以看出,加热不足500℃时,钢化程度不高。

500℃以上,钢化程度显著提升。

600℃左右,具有最高的钢化增益。

700℃左右,钢化效益接近峰值,更高温度后增益不多。

可见温度控制对玻璃钢化非常重要。

钢化玻璃的强度这么高,为啥还会“爆炸”呢?

刚才我们知道了,钢化玻璃本身就受到非常大的自身应力,外压内拉。

想象这不是一块玻璃,这是一块果冻……

如此强大的张力下,是不是就直接崩碎了?

钢化玻璃平时不碎掉,其实就是自身强度和压力、拉力之间形成了一个平衡。

这个平衡一被打破,玻璃就会直接爆碎。

钢化玻璃上容易打破平衡的点,被称为薄弱点

薄弱点主要有三种类型:

源于切割的薄弱点:四角边缘
源于材料的薄弱点:杂质颗粒
源于意外的薄弱点:表面损伤

由于四角和边缘是切割的,如果磕碰使得表面压力层破坏,产生的裂口到达内部拉力层,整个玻璃就会受力不均,彻底崩碎。

其它表面损伤、缺陷,也是同样的道理,因为扩大损伤到内部而破碎。

以上往往是磕碰、外力等原因造成的,杂质引起的则完全不同。

杂质颗粒导致的崩碎,也是我们通常所说的「自爆」

在加工、运输、贮存、使用过程中都可能遇到,直接和钢化玻璃的生产工艺相关。

一般来说,加工自爆,可能由多种原因造成。而使用时产生的自爆,通常只和一种物质有关:

玻璃中残留的硫化镍(NiS)[1][2]

NiS 是一种晶体,具有两种同质异形体。

α相和β相。

NiS: α相 VS β相

α相为六角形晶胞,β相为菱面体晶胞。

α相在379 °C以上温度稳定,在较低温度下相变为β相。

变成 β相后,体积会增加2~4%[3]

由于钢化玻璃的热处理温度是600~700℃,远远高于379 °C。

所以钢化玻璃刚刚加热完成时,内部的 NiS 会全部转化成α相。

由于钢化玻璃是急冷却处理的,所以内部的α相 NiS 来不及转化成β相。

室温环境中,α相会缓慢转化成β相。

NiS杂质的电竞扫描

随着不断相变膨胀,玻璃内部产生的应力越来越高,超过平衡极限,最终自爆就会发生。

NiS 自爆产生的纹路,往往呈现显著的蝴蝶纹:

NiS 杂质晶体处于「蝴蝶纹」界面,大小0.04~0.65mm,平均0.2mm,位于内部张应力区

玻璃自爆的NiS杂质临界直径,有以下关系:

为应力强度因子,大小为 0.76×10^5Nm^(-3/2)。
为度量相变及热膨胀的因子,大小为 615MPa。
为 NiS 晶体周围的应力大小。

由这个公式,计算可得:

钢化玻璃内部张力为 65MPa 时,NiS 最小直径为 0.04mm 。

当玻璃中的 NiS 杂质比例相对固定时,玻璃的钢化强度越高,越容易自爆。

除此之外,钢化强度越高,最后破碎后的颗粒尺寸也越小。

越小就会越安全。

普通玻璃碎片大,容易划伤人。钢化玻璃碎片小,越不容易划伤人。

国家为了安全考虑,对钢化玻璃的碎片数目和大小,进行了明确的规定:

而为了保证使用质量,国家同样规定了碎片的数目上限:

也就是说,对于平面钢化玻璃,碎片个数的要求,通常在40~90个的范围内。

要求表面应力≥90MPa,最大值与最小值差≤15MPa。

网传钢化玻璃国家标准有着千分之三的自爆率,这其实并不属实。

国家标准中仅仅只有降低自爆率的建议:

其实钢化玻璃自爆率的确在千分之三左右,不过国家不设定标准是合理的。因为工艺变化对自爆率影响很大,国家如果设定很细的标准很有可能会面临适用范围和时间的问题。

其实,钢化玻璃从α相到β相,是一个缓慢的时间过程。

很明显,你买回去就自爆了,必然是产品问题,而不能解释称3%的自爆率。

一般来说,钢化玻璃可能在2~5年内,发生较低的自爆率,这是大家在使用过程中需要注意的。

一经发生意外,一定要积极维权。

可能很多人以为自己用的是钢化玻璃,就有用防弹玻璃一样的错觉。

但其实两个东西,虽然都说是玻璃,但其实可以说是完全不同的“物种”。

防弹玻璃是典型的多层设计,会用到大量的塑料材质:

防弹玻璃的子弹冲击效果是这样的:

碎而不破,呈放射状破裂

钢化玻璃和防弹玻璃价格差异巨大,‌防弹玻璃‌价格往往超过千元每平米,通常是钢化玻璃的10~100倍范围内。

所以,对于居家使用钢化玻璃比较多的,还是需要多注意。

避免边角磕碰,使用年限较长以后,能替换的尽量替换。

END