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利用偏光對比有效檢查玻璃生產過程中的缺陷
對于玻璃生產而言，偏光顯微鏡（又稱偏振光顯微鏡）是一種重要的分析方法，因為它可以讓制造商直觀地看到內應力、結構不一致和玻璃缺陷，而使用明視野照明的標準顯微鏡是很難看到這些缺陷的。玻璃中的典型缺陷包括氣泡以及剛玉、結晶和石頭夾雜物。玻璃是一種無定形材料，但在受壓時會產生光學各向異性。因此，偏振光與玻璃的相互作用能揭示玻璃內部結構的詳細信息。
使用交叉偏振鏡后，玻璃的雙折射圖案可以顯現出來，從而可以評估應力分布、檢測夾雜物以及評估熱處理后的質量。工業玻璃制造，無論是平板玻璃、容器、光學元件還是特種玻璃，微觀層面的質量控制直接影響產品的耐用性、透明度和長期性能。偏光顯微鏡可幫助制造商在生產過程的早期發現問題，如冷卻過程中產生的應力、原材料污染、氣態夾雜物或結晶缺陷。這種功能可以在大批量生產受到影響之前采取糾正措施。玻璃生產商可以利用偏光顯微鏡確保其玻璃產品符合嚴格的機械和光學規格，從而實現可靠的生產，保持高質量標準。徠卡顯微系統公司提供多種偏振顯微鏡。
玻璃是已知最古老的材料之一。如今，玻璃被廣泛應用于各種領域，如光學儀器、門窗、太陽能電池板、食品、飲料和藥品容器等，因此必須符合嚴格的玻璃質量標準，尤其是光學玻璃。利用偏光顯微鏡對平板玻璃、中空玻璃和壓制玻璃進行質量控制既快捷又經濟。無需進行耗時的樣品制備，即可對結節、金屬、晶體夾雜物和氣泡等缺陷進行分析。
雖然硅酸鹽玻璃在成分和性質上有很大差異，但它們可能存在的缺陷類型相似，產生的原因也相同[1]。除了氣態夾雜物（氣泡）外，結晶缺陷在日常生產中也很常見。快速識別玻璃缺陷至關重要，以便在生產過程中采取適當措施。
晶體玻璃缺陷的類型（按其來源劃分）：
原材料和舊回收玻璃中的抗熔污染物；
非熔化原料成分；
冶煉廠防火礦物材料的腐蝕殘留物；
脫硝產品。
晶體夾雜物、氣泡和加工缺陷之間的區別可通過自動檢測和分揀系統或目測后的人工分揀來實現。使用玻璃刀或金剛石鋸切出的部分通常無需進一步加工即可進行顯微鏡檢查。對于大的、不透明的 "石頭"，則對缺陷進行研磨，并用入射光進行診斷。由于玻璃珠的透鏡效應，玻璃結中較小的內含物往往無法清晰聚焦。因此，要在結上覆蓋具有玻璃折射率的浸泡液（圖 1）。此外，這里介紹的顯微鏡裝置還可以進行定量偏振光學測量；不過，這需要一定厚度的平面拋光切片[2-4]。
如果要以高倍率對玻璃表面下幾毫米處的缺陷進行非破壞性診斷，建議使用超大工作距離的物鏡。除了 10 倍偏振物鏡外，還可使用帶蓋玻片校正的 40 倍偏振物鏡，對薄樣品進行定量測量，并進行錐鏡檢查。
對于明場透射光，可通過包體的浮雕來確定周圍玻璃的形狀、顏色和相對折射率。將聚光器偏心或引入可變開口快門可實現斜向照明以增強對比度。斜向照明會產生強烈的浮雕條紋，而最佳的科勒照明則幾乎看不到這種條紋。
通過透射光偏振對比，可以區分各向同性和各向異性材料。對于異形晶體，可以確定消光位置，并利用 lambda 板估算雙折射的階次。明視野和入射光與入射光的偏振對比僅適用于玻璃表面的缺陷或磨碎的試樣。斜入射照明與透射光相結合，可以識別內含物的表面細節和顏色。
在用光學顯微鏡觀察玻璃結時，將其浸入膠粘在管段中的液體中，可消除透鏡效應（根據參考文獻 2 中的示例進行說明，圖片 3.63）。
圖 1：通過浸泡在膠粘的管片中，從光學角度消除玻璃結的透鏡效應（圖示 [1]，圖像 3.63）
氧化錫（SnO2）
一些熔煉爐的加熱電極是由耐熔氧化錫組成的。在過載情況下，電極材料會剝落，形成典型的藍色異形顆粒（原生氧化錫）聚集體。在較高溫度下，這些物質會在一段時間后溶解，形成所謂的結。在較低溫度下，長棱柱形氧化錫晶體（二次氧化錫）會以細針狀（圖 2）或毛氈狀聚集體（圖 3）的形式生長。
圖 2：針狀重結晶產物旁邊殘留的藍色顆粒狀氧化錫。這是一個玻璃包合物的例子，其周圍的玻璃具有很強的光彈性。使用 HC PL Fluotar 10x Pol 物鏡采集透射光和偏振對比圖像。圖像寬度為 1 毫米。
圖 3：這里可以看到再結晶氧化錫的毛氈狀集合體。另一個玻璃包合物的例子，其周圍的玻璃具有很強的光彈性。使用 HC PL Fluotar 10x Pol 物鏡，通過透射光、偏振對比、λ板和斜入射照明獲取圖像。圖像寬度為 1 毫米。
氧化鋯(ZrO2)和剛玉（Al2O3，氧化鋁）
氧化鋯和剛玉是冶煉廠使用的耐火礦物的成分（圖 4）。在正常負荷下，耐腐蝕的氧化鋯會以 "溫順 "的方式緩慢溶解。大量氧化鋯玻璃缺陷表明局部腐蝕嚴重，例如熱過載或流量過大造成的腐蝕。氧化鋯在其原始化合物中以白色小包裹體的形式存在，或形成典型的樹枝狀晶體（圖 5）。剛玉，即含有微量金屬的結晶氧化鋁（Al2O3），在玻璃熔爐中更容易溶解，通常會形成玻璃結和條紋。不過，剛玉也可以是具有其他典型夾雜物的圓形晶粒（圖 6）。
圖 4：一種耐高溫的防火礦物，由剛玉（淺灰色條狀包裹體）和氧化鋯（白色蛋狀包裹體）組成。使用入射光和 HC PL Fluotar 10x Pol 物鏡拍攝的拋光樣品圖像。圖像寬度為 1 毫米。
圖 5a：重結晶的氧化鋯形成典型的結晶聚集體。周圍玻璃中具有高光彈性的玻璃夾雜物，透射光偏振對比 + lambda 板，HC PL Fluotar 5x，圖像寬度：2毫米
圖 5b：重結晶的氧化鋯形成典型的結晶聚集體。周圍玻璃中具有高光彈性的玻璃夾雜物，透射光偏振對比+斜入射照明，HC PL Fluotar 5x，圖像寬度：2毫米
圖 6：含有大量內含物的原生剛玉。這又是一個玻璃包合物的例子，其周圍的玻璃具有很強的光彈性。使用透射光、偏振對比和 HC PL Fluotar 10x Pol 物鏡獲取的圖像。圖像寬度為 1 毫米。
菱錳礦/菱鎂礦（二氧化硅）
在富含二氧化硅的玻璃中，菱錳礦和較少見的霞石是蛻變產物。例如，當堿或硼氧烷等揮發性成分蒸發時。通常情況下，三閃石會形成 60° 角的晶體集合體（圖 7）。
圖 7：這里可以看到典型的玻璃夾雜物形成的三棱鏡枝晶。使用 HC PL Fluotar 10x Pol 物鏡通過透射光、明場對比和用于增強對比度的斜射照明采集圖像。圖像寬度為 1 毫米。
參考文獻：
1.H.H. Müller, C. Strubel, K. Bange, Characterization and Identification of Local Defects in Glass, Scanning (2000) vol. 23, iss.1, pp：10.1002/SCA.4950230103。
2.Jebsen-Marwedel, H., Brückner, R., Glastechnische Fabrikationsfehler, 3rd edition (Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1980) 623 pages.
3.Clark-Monks, C., Parker, J. M., Stones and Cords in Glasses (Society of Glass Technology, Sheffield, 1980) 208 pages.
4.Begley, E. R., Guide to Refractory and Glass Reactions (Cahners Publishing Co., Boston, 1970) 149 頁。
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