Scienza del vetro e dei substrati
Vetro privo di alcali come substrato di dischi encoder: bassa dilatazione, niente sodio e superficie nativa
Il vetro alluminoborosilicato privo di alcali per pannelli display ha un CTE di circa 3–4×10⁻⁶/K, quasi niente sodio e un alto strain point. L’articolo lo confronta con vetri sodico-calcici e borosilicati, calcola la differenza di dilatazione e la tensione al bordo del foro rispetto a mozzi in lega di alluminio e acciaio inox, e spiega quali dischi encoder sono adatti e cosa osservare in incollaggio e montaggio.
Il vetro alluminoborosilicato privo di alcali per pannelli display ha tre tratti: CTE circa 3–4×10⁻⁶/K, quasi niente sodio e alto strain point. I tre corrispondono ai punti dolenti dei dischi encoder: stress termico tra film di cromo e substrato, essudazione alcalina con foschia e corrosione, ritiro dimensionale in cottura. Il prezzo: il CTE è ancora più lontano dai mozzi metallici comuni. L’articolo calcola entrambi i lati con numeri di esempio.
Confronto con altri vetri
Intervalli tipici (esempi, non legati a una marca):
| Classe | α (10⁻⁶/K) | Strain point (℃) | Na₂O (wt%, ordine di grandezza) |
|---|---|---|---|
| Sodico-calcico | 8,6–9,4 | circa 500–520 | circa 14 |
| Alluminosilicato alcalino | 7,5–9,5 | circa 530–585 | circa 12–14 |
| Borosilicato tipo 3.3 | circa 3,3 | circa 510 | circa 4 |
| Alluminoborosilicato privo di alcali | 3,2–3,9 | 650–750 | circa 0 (di solito < 0,1) |
| Silice fusa | circa 0,5 | circa 900–1100 | 0 |
Il vetro privo di alcali ha α vicino al borosilicato ma strain point più alto di circa 140–240 K – il primo vantaggio.
Stress termico. α del film di cromo circa 4,9×10⁻⁶/K; E del bulk 279 GPa, coefficiente di Poisson 0,21. Con un rialzo di substrato di 100 K, il cromo su sodico-calcico è messo in trazione di circa 145 MPa; su vetro privo di alcali diventa compressione di ordine circa 42 MPa. I film sputterati portano già centinaia di MPa di stress intrinseco, quindi lo stress termico conta soprattutto in cicli termici e passi ad alta temperatura, ma un mismatch di un ordine più piccolo aiuta l’adesione.
Stabilità dimensionale. Con i parametri di esempio dell’articolo sul ritiro termico di questa libreria, una cottura a 400 ℃ per 1 h ritira il sodico-calcico di circa 92 ppm e il privo di alcali di circa 0,006 ppm. Preferire il privo di alcali per passi ad alta temperatura (cura termica, ricottura, rivestimento ad alta temperatura).
Niente sodio. In umido-calore gli ioni sodio del sodico-calcico migrano verso l’esterno e formano un film d’acqua alcalino che può corrodere il cromo ai pinholes e lasciare foschia bianca – meccanismo comune; il vetro privo di alcali quasi non ha questa via. «Privo di alcali» non significa «immune a tutto»: resistenza ad acidi e alcali caldi differisce, e i bagni di lavaggio vanno validati con il proprio processo.
Superficie nativa. Il foglio overflow downdraw non tocca organi di formatura; la rugosità può arrivare alla classe sub-nanometrica (vedi l’articolo di confronto substrati in questa libreria), non serve lucidare e di solito arriva sottile.
Differenza di dilatazione con mozzi metallici
La dilatazione termica uniforme cambia solo la dimensione, non l’angolo di traccia, quindi il mismatch CTE vetro–mozzo non causa direttamente errore angolare; causa tre altri problemi: stress di incollaggio e montaggio, spostamento del centro e fatica sotto cicli termici. Con α del vetro = 3,7, raggio di incollaggio r = 10 mm, escursione ΔT = 40 K, la differenza di dilatazione libera al raggio è Δr = r·Δα·ΔT:
| Mozzo (α) | Privo di alcali Δr | Sodico-calcico Δr |
|---|---|---|
| Lega di alluminio (23) | 7,7 μm | 5,6 μm |
| Acciaio inox 304 (17,3) | 5,4 μm | 3,3 μm |
| Inox classe 430 (10,4) | 2,7 μm | 0,6 μm |
| Lega di titanio (8,6) | 2,0 μm | 0,2 μm |
| Classe Kovar (5) | 0,5 μm | 1,6 μm |
| Classe Invar (1,5) | 0,9 μm | 3,0 μm |
Passando al vetro privo di alcali cambiano anche i mozzi adatti: il sodico-calcico si adatta a inox classe 430 e lega di titanio; il privo di alcali a classe Kovar, lega di titanio e classe Invar; lega di alluminio e 304 non si adattano a nessuno dei due e sono peggiori col privo di alcali (Figura 2).
Limite superiore per accoppiamento rigido a gioco zero. Se un foro di vetro si adatta a un mozzo pieno senza gioco e senza adesivo, il cambio di temperatura mette in trazione circonferenziale il bordo del foro. Calcolando elasticamente un anello di vetro (rapporto diametri esterno/interno 3) e un mozzo pieno, vetro privo di alcali con lega di alluminio dà circa 0,82 MPa/K, con 304 circa 0,72 MPa/K, con classe 430 circa 0,35 MPa/K, con classe Kovar circa 0,07 MPa/K. Con tensione ammissibile a lungo termine circa 7 MPa (ordine di grandezza, con fattore di sicurezza, dipende dalla qualità del bordo), la lega di alluminio raggiunge il limite già a circa 8,6 K dalla temperatura di montaggio (Figura 3). È un limite superiore: gioco reale, adesivo e cedevolezza del mozzo abbassano lo stress; usarlo solo per confronto e ordinamento.
Taglio nell’incollaggio. Spessore adesivo 50 μm, Δr = 7,7 μm (alluminio con privo di alcali), deformazione di taglio circa 0,15. Adesivo morbido (modulo di taglio circa 0,5 MPa) dà circa 0,08 MPa di stress di taglio – tollerabile; epoxy duro (ordine circa 1 GPa) in un anello pieno calcola ben oltre la sua resistenza, quindi non usare adesivo duro a tutto anello – adesivo morbido, punti di colla o struttura flessibile.
Tipi di dischi encoder adatti
Adatti: dischi encoder a trasmissione con diametro vetro entro alcune decine di millimetri, montati con adesivo morbido o colla a piccola area; dischi con passi ad alta temperatura o servizio umido-calore; mozzi di classe Kovar, lega di titanio o classe 430. Con cautela: strutture che devono collegarsi rigidamente su ampia area a lega di alluminio; dischi che richiedono rafforzamento per scambio ionico (il vetro privo di alcali non ha ioni alcalini scambiabili e in genere non può usare quella via); dischi più spessi di circa 1 mm (la fornitura è di solito sottile; confermare lo spessore).
Note di ingegneria
- Scegliere il vetro privo di alcali per bassa dilatazione, alto strain point e assenza di sodio – non perché «è migliore»; calcolare per intervallo di temperatura, mozzo e metodo di montaggio.
- Prima controllare α del mozzo e intervallo di temperatura di montaggio, poi stimare Δr = r·Δα·ΔT; strutture con Δr di alcuni μm richiedono adesivo morbido, punti di colla o struttura flessibile.
- Non accoppiare rigidamente vetro e lega di alluminio a gioco zero: circa 9 K di cambio temperatura possono già portare la trazione al bordo a circa 7 MPa di ordine.
- Passare il mozzo a classe Kovar, lega di titanio o classe 430 di solito porta Δr sotto 2–3 μm.
- Il vetro privo di alcali non si rafforza per scambio ionico; la resistenza dipende da qualità di bordo e superficie – mettere smusso e qualità del bordo dopo il taglio in specifica.
- Preferire il privo di alcali per passi ad alta temperatura (cottura, cura, rivestimento) per ridurre il ritiro, ma verificare comunque strain point e dati misurati del fornitore.
Sintesi
Il vetro alluminoborosilicato privo di alcali ha α circa 3–4×10⁻⁶/K, strain point 650–750 ℃ e quasi niente sodio – favorevole per stress termico del cromo, ritiro ad alta temperatura e foschia umido-calore. Il costo è un mismatch maggiore con mozzi in lega di alluminio e inox: a r = 10 mm e 40 K, Δr può arrivare a 5–8 μm, e la trazione al bordo a gioco zero è circa 0,7–0,8 MPa/K. Scelto il vetro privo di alcali, mozzo e metodo di incollaggio vanno ri-scelti insieme.
Traduzione dell’articolo originale cinese (0569). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com
© Langfang Jingzheng Optoelectronic Technology Co., Ltd. Tutti i diritti riservati. Articolo realizzato con l’assistenza dell’IA.