Các câu chuyện này ám chỉ tới vô số những việc rắc rối khi mà các cửa sổ làm bằng kính cường lực vỡ tan mà không báo trước. Mặc dù thất bại gọi là “tự phát” của kính cường lực đã gây chú ý cho cộng đồng chỉ mới xẩy ra trong thời gian gần đây, nhưng thực tế nó đã được dự báo từ năm 1960.
Những thất bại này là do sự xuất hiện thêm vào của niken sunfua. Trong thực tế, các tăng thêm niken sunfua trong kính hoàn toàn rất hiếm. Trong một mẻ nấu kính thông thường sẽ có một lượng tăng thêm là 5μg/ tấn thuỷ tinh (bình quân bằng 5/1012)
Dẫu là ít ỏi, nhưng các phát sinh niken sunfua rất phiền hà và có nguy cơ tiềm tàng xuất hiện trong kính cường lực. Lý do là một biến đối giai đoạn bị trì hoãn niken sunfua. Các tinh thể niken sunfua có nhiệt độ cao và cả ở dạng nhiệt độ thấp. Dạng tinh thể nặng ở nhiệt độ cao phình lên khi làm mát tạo ra tinh thể nhẹ hơn ở nhiệt độ thấp.
Các phát sinh niken sunfua kính ủ thường gây ra từ trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, sự biến đổi rất chậm chạp và khi mà kính được làm mát nhanh chóng trong quá trình gia công kính cường lực, thì các phần còn lại niken sunfua bị giữ lại ở nhiệt độ cao cho đến một vài năm sau khi sự biến đổi làm vỡ kính (Đây là một mẫu vết nứt “tự phát” điển hình trong cửa sổ kính cường lực).
Sản xuất kính cường lực và phát sinh niken sunfua
Kính phẳng được tôi trong lò tương tự như nướng bánh. Kính được di chuyển trên các con lăn và lăn đi bên trong lò, nung nóng đến nhiệt độ giữa 600 - 700oC cho đến khi nó mềm ra. Kính đang ở thế mềm được ra khỏi lò và được làm mát đột ngột. Kính sẽ có tính dẫn nhiệt thấp đi là cho phần trong của kính lại mát, cứng hơn, sau đó co lại do sự co rút nhiệt (giãn nở nhiệt theo chiều ngược lại)
Sau đó phần trong cũng mát dần, cứng dần và co rút dần. Vì các bề mặt ngoài đã được làm lạnh khi phần trong bắt đầu cứng, nên sự co rút bê trong sẽ làm chèn nén bề mặt bên ngoài. Trong kính thành phẩm, các lớp gần bề mặt ngoài phải chịu các sức ép cao bởi sức căng phát ra từ phần trong. Quá trình tôi luyện này sẽ cho ra một loại kính an toàn mà cũng rất bền, chắc chắn. (Niken sunfua tìm thấy bên trong kính nguyên vẹn. Có vết nứt đáng kể trong kính gần kề với tinh thể niken sunfua, nhưng ở trong ảnh thì các vết nứt này còn chưa tới hạn).
Niken sunfua ở thể nhiệt độ cao khoảng trên 380oC và trở lại nhiệt độ thấp khi làm lạnh bằng nhiệt độ trong phòng, nhưng ở kính cường lực thì không như vậy bởi vì sự biến tính là từ từ và vì tốc độ làm mát nhanh do yêu cầu của quá trình tôi kính. Swain đã khám phá ra rằng sự biến đổi nhiệt độ từ cao đến thấp dẫn đến niken sunfua tăng thêm 4%, làm cho đường kính của các tinh thể lớn hơn 60μm có thể tạo ra các vết nứt nguy hiểm trong vùng kính lân cận. Về mặt tích cực mà nói, các ứng suất từ bên trong và bên ngoài đem lại các đặc tính đáng giá cho kính cường lực. Ứng suất nén bề mặt làm kín các vết nứt bề mặt và tăng sức bền của kính từ 3 đến 5 lần. Ứng suất căng nội bộ đảm bảo rằng, nếu kính bị vỡ, thì sự giải phóng sức ép sẽ làm cho kính vỡ đều thành nhiều mảnh nhỏ (vỡ vụn).
Tuy nhiên, nếu như Niken sunfua có trong các vùng dãn thì sẽ có một bên bị lõm và ứng suất dãn trong sẽ trở thành “Gót chân Asin” của kính cường lực. Vấn đề là sự căng phồng lên của thành phần niken sunfua sẽ gây ra các vết nứt trên kính và bất kỳ vết nứt nào dù nhỏ trong vùng dãn cũng sẽ gây ra những hậu quả hết sức nặng nề. Đặc tính chuyển hoá chậm của niken sunfua sẽ dẫn tới trì hoãn quá trình tôi (làm phát sinh những thành phần không ổn định) và quá trình kính bị lỗi. Tỷ lệ lỗi này rất khó dự đoán vì cả tỷ lệ lỗi và khoảng thời gian bị trì hoãn đều biến thiên từ vị trí này sang vị trí khác. Trong một vài trường hợp, lỗi này tồn tại trong khoảng 5 năm, nhưng trong nhiều trường hợp khác, các khiếm khuyết có thể tồn tại 10
năm hoặc lâu hơn thế nữa sau khi lắp đặt.
Phương hướng xử lý
- Đặc tính hoá
- Thử nghiệm
- Dò tìm
Hơn 45 năm đã trôi qua kể từ khi con người lần đầu biết đến các vết nứt vỡ tự sinh của kính cường lực. Kể từ đó, đã có rất nhiều nỗ lực giải quyết vấn đề này, 3 phương hướng khác nhau đã được đưa ra, đó là Đặc tính hoá, Thử nghiệm và Dò tìm.
Đặc tính hoá
Đặc tính hoá chính là một nghiên cứu về vật liệu: Hình dạng, nguồn gốc chất liệu, loại tạp chất và nguyên tố vết có trong thành phần và phương thức tồn tại của chúng trong mối liên hệ với các vùng xung quanh. Bằng cách đặc tính hoá niken sunfua và các tạp chất có trong kính, người ta hy vọng có thể phát hiện ra lý do tại sao niken sunfua lại phát sinh trong thành phần và làm thế nào để loại bỏ hoàn toàn chúng. Chúng ta biết rằng lưu huỳnh được đưa vào như một thành phần trong sản xuất kính tuy nhiên nguồn niken từ đâu thì vẫn chưa được biết đến. Vì vậy, đặc tính hoá tập trung vào việc xác định nguồn phát sinh niken.
Về nguồn phát sinh niken, có 3 khả năng như sau: nguyên liệu thô, nguyên vật liệu có trong quá trình lưu kho và bốc dỡ nguyên liệu thô và tạp chất dính vào thuỷ tinh nóng chảy qua gạch chịu lửa và các vòi đốt. Kết quả của các công trình nghiên cứu đặc tính sớm nhất cho thấy dầu nhiên liệu có chứa vết niken và vì điều này, các lò bể vốn sử dụng các vòi đốt dầu đã được chuyển sang dùng khí hoá lỏng tự nhiên. Sự chuyển đổi sang dùng khí hoá lỏng tự nhiên và sự điều chỉnh trong công tác bốc dỡ nguyên liệu thô đã cải thiện vấn đề niken sunfua song lại không hoàn toàn loại bỏ được vấn đề này. Một vài khám phá gần đây đã đi sâu về nguồn gốc niken và vấn đề này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong phần cuối bài này.
Thử nghiệm huỷ
Một thử nghiệm huỷ còn gọi là “ngâm nhiệt” cũng đã được đưa ra để dò tìm và loại bỏ kính có thành phàn niken sunfua. Trong thử nghiệm ngâm nhiệt, kính cường lực được dựng trong một tủ nóng và được gia nhiệt tới 290oC trong vài giờ. Quá trình ngâm nhiệt gây ra hiện tượng thành phần niken sunfua chuyển hoá về dạng nhiệt độ thấp và gây ra tình trạng nứt vỡ. Lợi thế của việc sử dụng phương pháp này là việc ngâm nhiệt độ có thể loại bỏ khoảng 95% các sản phẩm cửa sổ kính có vấn đề mà không làm giảm tính cường lực của kính. Tuy nhiên, bất lợi của công nghệ này là vấn đề chi phí, do chi phí công nghệ thử nghiệm sẽ đội giá thành sản phẩm lên và do quá trình này cũng sẽ huỷ bỏ nhiều sản phẩm lên và do quá trình này cũng sẽ huỷ bỏ nhiều sản phẩm. Tất cả các công đoạn tạo hình, khoan lỗ và hoàn thiện sản phẩm đều phải được tiến hành trước công đoạn tôi, vì vậy việc thâm hụt lượng thành phẩm trong quá trình thử nghiệm huỷ đồng nghĩa viẹc tốn kém nhiều thời gian cho việc chuẩn bị các sản phẩm trước thử nghiệm. thêm vào đó, do các tấm kính được dựng sát nhau trong tủ nóng nên việc một tấm kính có lỗi nứt vỡ cũng sẽ đồng thời ảnh hưởng đến các tấm kính liền kề.
Dò tìm
Phương pháp dò tìm có những thuận lợi mà thử nghiệm huỷ không thể mang lại. Mặc dù thử nghiệm ngâm nhiệt khá hiệu quả song nó cũng có 2 điểm yếu, đó là tốn kém và không dễ dàng áp dụng được đối với những sản phẩm đã được lắp đặt có dấu hiệu tồn dư niken sunfua cũng không dễ dàng gì do thành phần này rất nhỏ. Khi các vết nứt tự sinh xuất hiện, đa số thành phần niken sunfua phát hiện được khi bắt đầu có sự cố có đường kính khoảng 100-200mm. Và trong một vài trường hợp đường kính này có thể chỉ khoảng 70mm, kích thước rất nhỏ của niken sunfua so với kích thước lớn của các ô cửa sổ đồng nghĩa với việc kỹ thuật dò tìm cần phải xử lý một lượng dữ liệu lớn mới cho kết quả tin cậy. Ví dụ, để ghi kỹ thuật số một vị trí có thành phần niken sunfua khoảng 70mm, cần phải có kích thước pixel là 35mm. Một hình ảnh số chụp ô cửa sổ 3m2với độ phân giải 35mm cần tới 3Gbyte lưu dữ liệu. Chưa tính tới chủng loại hay độ nhạy của kỹ thuật dò tìm, khó khăn lớn là làm sao xử lý được khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn nhất có thể.
Cho dù có những khó khăn này, phương pháp dò tìm đã được phát triển và ứng dụng thành công. Phương pháp chụp ảnh được Trường ĐH Queensland và Công ty Resolve Engineering nghiên cứu đã thử nghiệm ứng dụng trên 4194 ô kính khác nhau (tổng số khoảng 14.753m2) tại toà cao ốc Brisbane trong 2 bnăm 1995 và 1996. Khi ứng dụng phương pháp này, người ta đã phát hiện được 291 vùng chứa niken sunfua trên 281 00 cửa sổ, trong đó có 10 tấm kính chứa 2 vùng niken sunfua.
Công nghệ dò tìm, được mô tả trong Bằng sáng chế của tác giả là “Dò tìm khiếm khuyết trên sản phẩm kính” được thực hiện qua 3 giai đoạn, bao gồm: Chụp ảnh, xử lý phim và kiếm tra kính. Trong công đoạn đầu tiên, các cửa sổ kính được chụp ảnh bằng camera khổ lớn (phim cuộn 120mm). Do ống kính camera cần nghiêng và phim phải có chất lượng tốt nên cả camera và phim đều phải được đặc chế. Đối với công nghệ này, cần có một thiết bị đủ khoẻ và vững để giữ cho ống kính chụp không bị rung khi tiến hành chụp mặt bên toà nhà từ vị trí dành để sửa chữa, bảo dưỡng. Thiết bị này cũng phải có cơ chế ghi lại độ cao và số cửa sổ để có thể dễ dàng xác định vị trí trên phim tương ứng với vị trí nào trên mặt kính thực tế.
Trong công đoạn tiếp theo, phim sẽ được xử lý qua bộ đọc xử lý phim. Bằng cách này, người duyệt phim có thể được nhìn thấy vị trí lồi và kích thước phóng đại 9 lần và phim sẽ được xử lý qua môi trường thuận tiện hơn (so với việc trực tiếp quan sát trên kính). Bộ đọc vi phim được điều chỉnh để có thể quét phim ngay và có thể xác định vị trí quét tương ứng vị trí nào trên phim. Khi người duyệt phim phát hiện thấy một mẫu đặc biệt (còn được gọi là 2 chấm), họ sẽ nhập vị trí này trên phim vào cơ sở dữ liệu. Bằng cách xử lý thông tin trên cơ sở dữ liệu này, có thể xác định vị trí tương ứng trên kính thực tế so với vị trí trên phim. Hình ảnh “2 chấm” này là do các thành phần trong kính tạo ra. Khoảng cách giữa các dấu chấm trong “2 chấm” được sử dụng để đo độ sâu của thành phần trong kính và để xác định chúng có nằm trong vùng căng hay không. Chỉ có những thành phần nằm gần tâm tấm kính (trong vùng căng) là nguy hiểm, những thành phần nằm sát bề mặt ngoài sẽ không thể gây nứt vỡ kính.
Công đoạn thứ ba, những người thực hiện việc kiểm tra cửa sổ sẽ được cung cấp một danh mục các vị trí nghi ngờ có thành phần niken sunfua do người duyệt phim xác định. Sử dụng vị trí do cơ sở dữ liệu định vị, người kiểm tra cửa sổ có thể định vị được những vùng có thành phần tồn dư nhỏ và kiểm tra kỹ lưỡng những vùng này bằng kính lúp phóng đại 10 lần. Ở hình ảnh được phóng đại 10 lần, niken sunfua có thể dễ dàng được nhận thấy do màu sắc nâu vàng và bề mặt xù xì của nó. Tại toà nhà Brisbane, những người duyệt phim đã xác định được 53.594 vùng thành phần trên tấm kính và từ những cửa sổ này, những người kiểm tra đã tìm ra 291 vùng thành phần có chứa niken sulphilde.
Tiềm năng phát triển những phương pháp dò tìm mới
Phương pháp chụp ảnh kính là một phương pháp hay để dò tìm tuy nhiên nó lại hạn chế ở chỗ phương pháp dò tìm yêu cầu phải có sự tham gia giám sát chặt chẽ của con người. Và hệ quả của nó là rất hao tốn nhân lực. Việc phát triển một phương pháp tự động do máy tính điều khiển cũng là điều cần thiết. Trong quá trình ứng dụng phương pháp chụp ảnh kính, chúng ta có thể khảo sát xuyên suốt mọi khía cạnh của công nghệ dò tìm và phát triển đặc điểm kỹ thuật rõ nét cho nhiều tham số dò tìm khác nhau. Giờ đây, chúng ta có thể biết đích xác đâu là yếu tố quan trọng cho sự thành công của phương pháp dò tìm.
Trong các năm 1995, 1996, những yêu cầu cấp thiết của phương pháp dò tìm vượt ra ngoài những gì mà các cemera CCD và bộ vi xử lý máy tính vào thời điểm đó có thể đáp ứng. Tuy nhiên, tốc độ phát triển của bộ vi xử lý máy tính trong suốt 10 năm qua đã tăng gấp hơn 10 lần và các camera CCD giờ đây đã có tốc độ nhanh hơn, với kích cỡ chụp lớn hơn. Mặc dù việc dò tìm niken sunfua không hề đơn giản nhưng giờ đây, về mặt kỹ thuật chúng ta hoàn toàn có thể phát triển một hệ thống dò tìm tự động, nhanh và hiệu quả.
Sự phát triển một công nghệ dò tìm mới sẽ đòi hỏi nguồn lực đáng kể trong giai đoạn đầu và đương nhiên, cũng như với bất kỳ sáng kiến mới thành công nào, nó cũng có nhiều rủi ro. Bởi vì các kiến trúc sư và các nhà xây dựng chuyên về nikensunfua đã trở nên dè dặt trong việc sử
dụng kính cường lực trong những năm gần đây. Thật chẳng hay ho gì nếu như chúng ta không sử dụng kính cường lực chỉ vì chúng có đặc tính về cường độ trong suốt, độ bền, độ an toàn không phù hợp với các vật liệu khác. Đã đến lúc phải phát triển một kỹ thuật dò tìm mới dành cho kính cường lực và để khôi phục lại danh tiếng cho loại kính này.
Một số công trình nghiên cứu gần đây về nguồn gốc của Niken
Vào năm 1974, Tabuchi đã phát hiện ra có 3 loại thành phần niken sunfua khác nhau. Mặc dù tính xác thực của nghiên cứu này vẫn chưa được đánh giá đầy đủ song vào thời điểm đó, khám phá này đã nắm chiếc chìa khoá dẫn tới bí mật niken sunfua đã hình thành và ổn định trong quá trình thuỷ tinh nóng chảy như thế nào. Loại thứ nhất được Tabuchi phát hiện là hợp chất của kim loại niken và Ni352, loại thứ hai chỉ chứa Ni352 và loại thứ ba chứa một hợp chất gần giống như NiS, 2 dạng đầu tiên của Niken sunfua không có các vết nứt vỡ tự sinh mà chỉ có loại thứ 3 gây ra hiện tượng này. Sau đó, các công nhân đã chỉ ra rằng loại thứ 3 xếp vào loại hợp chất từ Ni756 đến NiS103 - và không hoàn toàn nhất thiết là những pha đơn nhưng lại được phát hiện thấy có Ni756, Ni 858 và Ni1-xS trong thành phần.
Theo nguyên tắc tính ổn định của nhiệt động lực học, niken sunfua sẽ không thể tồn tại trong thuỷ tinh nóng chảy. mặc dù niken sunfua khó mà hoà tan trong thuỷ tinh, nhưng điều kiện ôxi hoá của thuỷ tinh có nguồn gốc bột sođa và silic lại tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển hoá từ niken sunfua thành niken ôxit. niken ôxit có thể hoà tan và một khi đã hình thành nó sẽ nhanh chóng phân huỷ trong thuỷ tinh nóng chảy.
Tuy nhiên, trong một công trình nghiên cứu mới đây, Kasper và Stadelmann đã tạo ra niken sunfua bằng cách cho một lượng nhỏ thép không rỉ vào thuỷ tinh nóng chảy. Công trình nghiên cứu này đã cho thấy ý nghĩa quan trọng của việc khám phá ra 3 loại niken sunfua của Tabuchi. Kasper và Stadelmann đã quan sát một phản ứng tầng. trong giai đoạn đầu, những kim loại bình thường nhất (crôm và mangan) đã phân huỷ trong thuỷ tinh, làm cho thép không rỉ bị chuyển thành một hợp chất sắt - niken.
Trong giai đoạn 2, sắt được loại bỏ, để lại kim loại niken. Trong giai đoạn 3, niken kim loại phản ứng với sunphur tạo thành Ni352. Chừng nào niken kim loại còn tồn tại, Ni352 vẫn tồn dư trong thành phần thuỷ tinh nóng chảy như 1 pha ổn định. Khi niken kim loại tiêu hao hết, niken sunfua sẽ từ từ co lại vì nó bắt đầu phản ứng với thuỷ tinh để hình thành niken ôxit hoà tan trên bề mặt. Thêm vào đó, một khi niken kim loại đã tiêu hao hết, pha giả bền NiS (pha nguy hiểm) sẽ ở vào điều kiện thuận lợi hơn Ni352, vì vậy trong thành phần sẽ mất đi niken và chuyển hoá từ Ni352 thành NiS, Kasper và Stadelmann đã chỉ ra rằng Niken sunfua có thể tồn tại như một pha giả bền trong thuỷ tinh với sự có mặt của niken kim loại, và đã cho thấy sự tất yếu phải tránh hoàn toàn sự tiếp xúc giữa hợp kim niken và các nguyên liệu thô sử dụng trong sản xuất thuỷ tinh làm từ bột sođa, silic.
Tiến sĩ John Barry của Công ty Pica MS cũng đã làm việc tại Trường đại học Oxford, Trường ĐH bang Arizona và Trường ĐH Queensland và có hơn 20 năm kinh nghiệm về khoa học nguyên vật liệu và khoa học ứng dụng các chùm electron. Trong công trình nghiên cứu dài hơn 80 trang, giáo sư Barry cũng đã chỉ ra mối quan hệ giữa kết cấu và đặc tính của vật liệu, khoa học nano và các ứng dụng, sáng kiến mới sử dụng kỹ thuật hiển vi electron.
Giáo sư Barry bắt đầu nghiên cứu về niken sunfua trong kính cường lực từ năm 1991 và từ khi còn công tác tại Trường ĐH Queensland, ông đã phát triển phương pháp chụp kính cùng với Công ty Resolve Engineering. Ông có nhiều công trình nghiên cứu các vấn đề liên quan đến kính, bao gồm cả một dự án lớn về cải thiện kính cường lực tại trường đua ngựa Melbourne.
