玻璃與基材科學
無鹼玻璃做碼盤基材：低膨脹、無鈉與原生表面的優勢
顯示面板用的無鹼鋁硼矽玻璃膨脹係數約 3–4×10⁻⁶/K、幾乎不含鈉、應變點高。本文與鈉鈣、硼矽等玻璃比較其特性，算出它與鋁合金、不鏽鋼等輪轂的膨脹差與孔邊應力，說明哪類碼盤適用，以及粘接與裝配注意事項。
顯示面板用的無鹼鋁硼矽玻璃有三個特點：膨脹係數約 3–4×10⁻⁶/K，幾乎不含鈉，應變點高。這三點恰好對應碼盤的幾個痛點：鍍鉻膜與基片的熱應力、鹼析出導致的霧斑與腐蝕、烘烤時的尺寸收縮。但它也有代價：它的膨脹係數與常見金屬輪轂相差更大。本文用示例資料把兩面都算出來。
與其他玻璃比較
下表為典型值範圍（示例，不對應任何牌號）：
| 類別 | α（10⁻⁶/K） | 應變點（℃） | Na₂O（wt%，量級） |
|---|---|---|---|
| 鈉鈣 | 8.6–9.4 | 約 500–520 | 約 14 |
| 鹼鋁矽 | 7.5–9.5 | 約 530–585 | 約 12–14 |
| 3.3 硼矽 | 約 3.3 | 約 510 | 約 4 |
| 無鹼鋁硼矽 | 3.2–3.9 | 650–750 | 約 0（通常 < 0.1） |
| 熔融石英 | 約 0.5 | 約 900–1100 | 0 |
無鹼玻璃的 α 與硼矽相近，應變點卻高出約 140–240 K，這是它的第一個優勢。
熱應力。 鉻膜 α 約 4.9×10⁻⁶/K，彈性模量取體材料值 279 GPa、泊松比 0.21。基片升溫 100 K，鈉鈣上的鉻膜被拉伸，增加約 145 MPa 的拉應力；無鹼玻璃上變為約 42 MPa 的壓應力量級。濺射膜本身的內應力常有數百 MPa，所以熱應力只在溫度迴圈和高溫工序中起主要作用，但失配小一個量級，對膜的附著有利。
尺寸穩定性。 按本文庫熱收縮一篇的示例引數，在 400 ℃ 烘烤 1 h，鈉鈣收縮約 92 ppm，無鹼約 0.006 ppm。高溫工序（熱固化、退火、高溫鍍膜）優先選無鹼。
無鈉。 鈉鈣玻璃在溼熱環境下，表面的鈉離子會向外遷移，形成鹼性水膜，可能在鉻膜針孔邊緣引起腐蝕和白色霧斑，這是常見的機理；無鹼玻璃幾乎沒有這條路徑。但“無鹼”不等於“耐一切”：它的耐酸、耐熱鹼性各有不同，清洗液要用自己的製程驗證。
原生表面。 溢流下拉的板材表面不接觸成形件，粗糙度可到亞奈米級（見本文庫基板對比一篇），不需要拋光，來料多為薄板。
與金屬輪轂的膨脹差
均勻熱膨脹只改變尺寸，不改變刻線角度，所以玻璃與輪轂的膨脹差不會直接造成角度誤差；它造成的是三類問題：粘接與裝配應力、盤心偏移、溫度迴圈下的疲勞。取玻璃 α = 3.7，粘接半徑 r = 10 mm，溫變 ΔT = 40 K，半徑處的自由膨脹差 Δr = r·Δα·ΔT：
| 輪轂（α） | 無鹼 Δr | 鈉鈣 Δr |
|---|---|---|
| 鋁合金（23） | 7.7 μm | 5.6 μm |
| 304 不鏽鋼（17.3） | 5.4 μm | 3.3 μm |
| 430 類不鏽鋼（10.4） | 2.7 μm | 0.6 μm |
| 鈦合金（8.6） | 2.0 μm | 0.2 μm |
| 可伐類（5） | 0.5 μm | 1.6 μm |
| 因瓦類（1.5） | 0.9 μm | 3.0 μm |
玻璃換成無鹼後，適配的輪轂也跟著變：鈉鈣適配 430 類不鏽鋼與鈦合金，無鹼適配可伐類、鈦合金和因瓦類；鋁合金與 304 對兩種玻璃都不匹配，對無鹼更差（圖2）。
零間隙剛配合的上限。 若玻璃孔與實心輪轂無間隙、無膠層地配合，溫變使孔邊出現環向拉應力。把玻璃環（外內徑比 3）與實心輪轂按彈性算，無鹼玻璃配鋁合金約 0.82 MPa/K，配 304 約 0.72 MPa/K，配 430 類約 0.35 MPa/K，配可伐類約 0.07 MPa/K。取長期許用拉應力約 7 MPa（量級，含安全係數，取決於邊緣質量），鋁合金只需偏離裝配溫度約 8.6 K 就達到限值（圖3）。這是上限：實際有間隙、膠層和輪轂柔度時應力更小，只用來比較與排序。
粘接的剪下。 膠層厚 50 μm，Δr = 7.7 μm（鋁合金配無鹼），剪下應變約 0.15。軟膠（剪下模量約 0.5 MPa）的剪應力約 0.08 MPa，可以承受；硬環氧（量級約 1 GPa）在整環粘接時會算出遠超其強度的數值，所以硬膠不能整環粘接，要用軟膠、點粘或彈性柔性結構。
適用的碼盤型別
適合：玻璃盤直徑幾十毫米以內、用軟膠或小面積粘接裝配的透射式碼盤；有高溫工序、溼熱環境的盤；輪轂選可伐類、鈦合金或 430 類的場合。需謹慎：必須與鋁合金大面積硬連線的結構，需要離子交換強化（無鹼玻璃不含可交換的鹼離子，一般不能用這條路徑強化）的盤，厚度大於約 1 mm 的盤（來料多為薄板，厚料要確認供貨）。
工程要點
- 選無鹼玻璃的理由是低膨脹、高應變點和無鈉，而不是“它更好”，要按碼盤的溫度範圍、輪轂和裝配方式具體算。
- 先查輪轂的 α 和裝配溫度範圍，再按 Δr = r·Δα·ΔT 估算，Δr 大於幾 μm 的結構要用軟膠、點粘或柔性結構。
- 不要把玻璃與鋁合金做零間隙硬配合，約 9 K 的溫變就可能使孔邊拉應力到約 7 MPa 量級。
- 輪轂換成可伐類、鈦合金或 430 類時，Δr 通常降到 2–3 μm 以下。
- 無鹼玻璃不能離子交換強化，強度取決於邊緣與表面品質，倒角和切割後的邊緣質量要寫入規格。
- 高溫工序（烘烤、固化、鍍膜）選無鹼以減小收縮，但仍須核對供應商的應變點與實測。
小結
無鹼鋁硼矽玻璃的 α 約 3–4×10⁻⁶/K，應變點 650–750 ℃，幾乎不含鈉，對鉻膜熱應力、高溫收縮和溼熱霧斑都有利。代價是與鋁合金、不鏽鋼輪轂的膨脹差更大：r = 10 mm、40 K 時 Δr 可達 5–8 μm，零間隙配合下孔邊拉應力約 0.7–0.8 MPa/K。選了無鹼玻璃，輪轂與粘接方式也要一起重新選。
延伸閱讀：ENC7 編碼器碼盤生產廠家（中文首頁） · 碼盤技術文庫
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