玻璃内应力那些事

     在玻璃产品的标准中，有一项叫残余应力，目前国内的测试标准来源为YBB00162002-2015，以中硼硅玻璃管制注射剂瓶为例，要求是：退火之后的永久应力造成的光程差不得过40nm/mm。那么，在玻璃包材产品中，什么是应力，什么又是是光程差呢？这些应力的存在，又与玻璃在应用过程中的哪些要求有关？今天我们就来说一说。

什么是玻璃应力

      玻璃的应力，英文叫stress,那么，什么叫应力呢？让我们从玻璃的结构说起。在以前的分享中，我们知道玻璃的主要成分是二氧化硅，另外还有其它的一些成分。我们且把这些结构作这样一个比喻，它们是教室里的一群孩子，每个孩子，都是一个原子。玻璃高温下加工的时候，每个原子都非常的活跃，就好比老师说：下课了，这些孩子们在教室中随意地跑动，脱离了自己的位子。

      假设现在又要上课了，老师有两种操作方式，其中的一种方法，就是突然说：上课！不给足够的返回时间。这时候，同学们根本来不及，所以好多的同学，都没有回到自己的位子。这个情况下，每个同学的内心是焦躁的，他们想回到自己的座位，座位才是他们该待的地方。

     玻璃加工的时候也是这样，在高温下，加工完成后，立马回到了常温，这时候，这些原子，无法很快回到自己的位子，它们也同样非常的焦躁。这时候，同学们这种焦躁的情绪，以及想回到自己该有位子的那种力，就是“应力”。

      应力有多种，有拉伸应力，压缩应力等，都是原子在抵御外来力量时的一种力；而前面说的玻璃加工，就是高温至低温太快，让原子无法及时归位的这种力。

      这种残余的应力，会有什么后果呢？它会在进一步外在力量下爆发，就像这些同学们，他们急切地想回到自己的位置。对于玻璃产品而言，如果这些应力没有及时消除，那就有可能会很容易破裂，比如以图1为例，有时可能的破裂就是应力没有及时消除。

图1   玻璃瓶的突然破裂

如何检测应力

      既然玻璃有应力，那如何检测呢？也就是说，我们知道这些原子不老实，有颗蠢蠢欲动的心，我们又如何知道呢？除了用那些破坏性的方法，比如说骤冷骤热，还有什么办法呢？那我们就需要来讲一讲一个东西：偏光。

      大家知道，可见光是一种横波，其振动方向垂直于传播方向。自然光的振动方向，在垂直传播方向的平面内是任意的。也就是说，在光的传播方向上，与其垂直的平面内的方向都有振动。而对于偏振光，其振动方向在某一瞬间，被限定在特定方向上。它往往通过偏光片来实现，如图2，这就是从可见光到偏光之后的振动方向的变化。

图2   偏光的原理

      为了检测玻璃的应力，就要用到偏光应力仪。其工作原理是基于应力双折射检测，即：玻璃是各向同性体，各方向的折射率相同；但是，如果玻璃中存在应力，各向同性的性质会受到破坏，引起折射率的变化，两个主应力方向的折射率不再相同，会出现双折射现象，从而将玻璃瓶身上面的有残余应力部分区分出来,可以参考GB/T 12415-2015:

图3   应力的光程差计算

       整个测试过程可以直接看到应力点的明暗变化。

应力如何消除

      玻璃应力主要来自于加工过程，那么，如何进行消除呢？最简单的就是退火。所以，在玻璃包装容器的生产中，相当重要的一步就是退火，将产品在退火炉中进行处理。还是以前面的小朋友上课为例子：老师不会在小朋友们玩得热火朝天时突然说上课；老师会与小朋友们说，你们不要玩得太疯了，马上要上课了，还是让小朋友们玩，这样小朋友们也有了反应的时间，然后有足够的时间回到自己的位置。

      玻璃加工结束后，退火炉中还是有一定的高温，在约360度的条件下，玻璃中的原子有充足的时间回归原位，就不会那么的“焦躁不安”，这样，整个材质就会比较和谐，不会有后期应力存在的不安定因素，确保产品的质量。

参考文献：

1.   药用玻璃容器内应力检测方法 GB/T 124152015

2.   美国药典，欧洲药典与日本药典