蓋板玻璃用高強(qiáng)度化學(xué)鋼化玻璃的開發(fā)

馬建強(qiáng)

摘要：化學(xué)鋼化是通過離子交換形成玻璃的表面壓應(yīng)力。離子交換工藝的簡單原理是在400LC左右堿鹽溶液中，使玻璃表層中半徑較小的離子與溶液中半徑較大的離子交換，比如玻璃中的鋰離子與溶液中的鈉離子交換，玻璃中的鈉離子與溶液中的鉀離子交換，利用堿離子體積上的差別產(chǎn)生表層壓應(yīng)力。對厚玻璃的增強(qiáng)效果不甚明顯，特別適合增2～4mm厚的玻璃?；瘜W(xué)鋼化玻璃的優(yōu)點(diǎn)是，其未經(jīng)轉(zhuǎn)變溫度以上的高溫過程，所以不會(huì)像物理鋼化玻璃那樣存在翹曲，表面平整度與原片玻璃一樣，同時(shí)在強(qiáng)度和耐溫度變化有一定提高，并可適當(dāng)作切裁處理。化學(xué)鋼化的缺點(diǎn)是隨時(shí)間易產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，目前已有保護(hù)性工藝措施，使化學(xué)鋼化玻璃具有其他強(qiáng)化玻璃品種不可替代的應(yīng)用特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：蓋板玻璃;高強(qiáng)度;鋼化玻璃;開發(fā)

中圖分類號：TQ171 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1672-9129（2018）15-0075-01

Abstract： chemical steelening is the surface compressive stress of glass formed by ion exchange. The simple principle of ion exchange process is that in about 400 LC alkaline salt solution， ions with smaller radius in glass surface are exchanged with ions with larger radius in solution. For example， lithium ions in glass and sodium ions in solution， sodium ions in glass and potassium ions in solution exchange， using the difference in the volume of alkali ions to produce surface compressive stress. The enhancement effect on thick glass is not obvious. Specially suitable for increasing glass by 2 to 4 mm thick. The advantage of chemical tempered glass is that it has a high temperature process above the unconverted temperature， so it will not be warped like physical tempered glass， and the surface flatness is the same as that of the original glass. At the same time， the strength and temperature resistance can be improved， and it can be used as a cutting treatment. The disadvantage of chemical steelening is that it is prone to stress relaxation over time. At present， protective technological measures have been adopted to make chemical steeled glass have the irreplaceable application characteristics of other strengthened glass varieties.

Keywords： cover glass; High intensity; Steel glass; develop

1 基本原理

1.1鋼化原理。不利于玻璃力學(xué)性能的岡素包括：（1）玻璃原料引入的雜質(zhì);（2）玻璃內(nèi)部存在的微不均勻區(qū)域;（3）玻璃內(nèi)部存在微氣孔和結(jié)石;（4）在生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生的表面缺陷Ho等。在超薄玻璃中，這些不利因素被放大，造成其實(shí)際強(qiáng)度并不高，還不到理淪強(qiáng)度的1%，而且玻璃的抗張強(qiáng)度相對來說更低，僅為其抗壓強(qiáng)度的10%左右1。通過理論分析，發(fā)現(xiàn)只要使玻璃表面呈預(yù)壓應(yīng)力狀態(tài)，就可阻止玻璃表面的裂紋受力擴(kuò)展，這就是表面預(yù)加壓應(yīng)力增強(qiáng)法?；瘜W(xué)鋼化玻璃就是利用離子交換在表面產(chǎn)生“擠塞”效應(yīng)來形成表面的壓應(yīng)力層，從而達(dá)到增強(qiáng)玻璃的效果沖一。

1.2離子交換機(jī)理。離子交換法通?？煞譃閮煞N，高溫型和低溫型”J。（1）高溫型離子交換。指離子交換溫度在玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度以上，通常分為兩種類型。擠壓效應(yīng)：用大半徑離子置換玻璃中的小半徑離子，使表面層體積增大，表面產(chǎn)生壓應(yīng)力而增強(qiáng)，和低溫型離子交換原理類似，但是交換溫度較高，在玻璃轉(zhuǎn)換溫度以上。膨脹差效應(yīng)：利用離子交換在玻璃表面產(chǎn)生低膨脹系數(shù)的微晶，由于其膨脹系數(shù)比玻璃內(nèi)部膨脹系數(shù)小，冷卻后產(chǎn)生壓應(yīng)力，達(dá)到玻璃增強(qiáng)的要求，此法稱表面結(jié)晶法，或稱膨脹差法。具體實(shí)例是在玻璃的軟化點(diǎn)與轉(zhuǎn)變點(diǎn)之間的溫度區(qū)域內(nèi)，把含Na：O或K：O的玻璃浸入鋰的熔鹽中，使玻璃中的Na+與熔鹽中比它們半徑小的“+相互交換，然后冷卻至室溫，由于含Li+的表層與含Na+或K+內(nèi)層膨脹系數(shù)不同，表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力而強(qiáng)化。

2 蓋板玻璃用高強(qiáng)度化學(xué)鋼化玻璃的開發(fā)

近年來，智能手機(jī)和平板PC等移動(dòng)設(shè)備被越來越廣泛的使用，這些設(shè)備的特點(diǎn)是顯示器的表面都帶有觸摸傳感器功能，鋼化玻璃作為這個(gè)顯示器表面的蓋板材料一直被廣泛使用，使用玻璃材料是因?yàn)槠溆兄芰媳砻鏇]有的質(zhì)感和抗刮性能等。如今移動(dòng)設(shè)備也在追求輕量化，蓋板玻璃為了滿足要求也盡可能的做到更薄更輕，大多數(shù)使用的基板厚度都在lmm以下，而且還需要有一定的抗沖擊性。為了提高強(qiáng)度，也廣泛使用在表面施加壓縮應(yīng)力以防止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)大的鋼化玻璃。在玻璃表面形成壓縮應(yīng)力的主要強(qiáng)化方法有：物理強(qiáng)化和化學(xué)強(qiáng)化。在進(jìn)行物理強(qiáng)化的情況下，在2mm以下的超薄玻璃的表面和內(nèi)部施加溫度差是個(gè)難題，因此物理強(qiáng)化法并不適用于蓋板玻璃。另一方面，化學(xué)強(qiáng)化法是將離子半徑較大的堿離子和玻璃中的離子通過相互擴(kuò)散進(jìn)行交換從而形成應(yīng)力，因此，即使是超薄玻璃也能夠通過控制擴(kuò)散時(shí)間來形成所需要的應(yīng)力曲線，從而適用于蓋板玻璃。鋼化玻璃為了保持和表面的壓縮應(yīng)力層的平衡，在內(nèi)部產(chǎn)生了拉應(yīng)力。化學(xué)鋼化玻璃的應(yīng)力曲線如圖1所示。由于玻璃很薄，產(chǎn)生刮痕和撞擊的裂紋達(dá)到拉應(yīng)力層時(shí)會(huì)很危險(xiǎn)，這不僅僅需要考慮壓縮應(yīng)力層的強(qiáng)度和深度，也需要考慮到拉應(yīng)力，從而更好地設(shè)計(jì)。越具有高表面應(yīng)力和深應(yīng)力層，強(qiáng)度就會(huì)越高從而提高耐久性?？墒牵绻纬蛇^于高的內(nèi)部拉應(yīng)力的話，裂紋達(dá)到內(nèi)部拉應(yīng)力的時(shí)候，玻璃就會(huì)破碎，而碎片也很有可能造成危險(xiǎn)。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值使拉應(yīng)力剛好達(dá)到內(nèi)部壓力。

3 化學(xué)鋼化蓋板玻璃的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

曲線，必須對強(qiáng)度具有很深的了解。通過對市場上破碎玻璃的分析，從而進(jìn)行適用于蓋板玻璃的化學(xué)鋼化玻璃的開發(fā)。蓋板玻璃從手中掉落到地面時(shí)產(chǎn)生沖擊力導(dǎo)致破碎的情況是很常見的，不論是蓋板玻璃的任何地方碰地面都會(huì)造成不同程度的破損。破損情況如表1所示。另外，研究各自的破損模式以及模擬破損實(shí)驗(yàn)，從而得到能夠防止破片的參數(shù)。

①邊緣表面和②邊緣里面使用鐘擺型的沖擊儀能夠再現(xiàn)破損模式。關(guān)于①邊緣表面是通過將3mm的SUS氣缸撞擊邊緣，從而形成和市場上的破損類似的模式。這種情況下由于通過接觸赫茲應(yīng)力而產(chǎn)生破損，可以看出對抗在表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力的壓縮應(yīng)力比在玻璃邊緣表面強(qiáng)烈用力的情況下更難破損。②邊緣里面是通過用040mm的SUS汽缸撞擊邊緣，能夠形成和市場上的破損類似的起點(diǎn)以及破損模式。這種情況下由于通過接觸赫茲應(yīng)力而產(chǎn)生破損，可以看出對抗沖擊產(chǎn)生的里面的拉應(yīng)力的壓縮應(yīng)力比在玻璃邊緣表面強(qiáng)烈用力的情況下更難破損。關(guān)于邊緣破損能夠通過控制適合物體的曲率半徑來再現(xiàn)表面和里面的破損。也可以考慮比03ram更小的曲率半徑。尖銳的物體的可能性，但是關(guān)于這點(diǎn)還需要進(jìn)一步的評定。③面表破損由于是復(fù)數(shù)的破損模式所以比較復(fù)雜。通過沖擊物體碰撞表面從而產(chǎn)生裂紋的情況成為破損的起點(diǎn)。裂紋的長度停留在應(yīng)力層內(nèi)的情況下，將裂紋進(jìn)一步伸展的拉應(yīng)力不產(chǎn)生在表面的話也不會(huì)有破損，穿過應(yīng)力層到達(dá)內(nèi)部的拉應(yīng)力層，由于拉應(yīng)力進(jìn)一步延伸導(dǎo)致玻璃被分裂破碎。裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵是沖擊物的角度和銳角，再加上裂紋產(chǎn)生的閾值低的話，就很容易造成致命傷。我們調(diào)查了作為在地面的銳角物體在路上經(jīng)常有的沙石的角度分布，從而發(fā)現(xiàn)尖頭部分110。附近是高峰角度分布區(qū)。由于這個(gè)接近30的砂紙的角度分布，因此在玻璃上放置30的砂紙，從上方墜落120g鋼球給予一定的沖擊來進(jìn)行玻璃破壞強(qiáng)度的比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)部拉應(yīng)力小的一方對破損具有更高的抗性。即使產(chǎn)生的裂紋停留在應(yīng)力層也能夠抑制破損，在市場上產(chǎn)生的裂紋穿過應(yīng)力層的情況比較多，而在內(nèi)部拉應(yīng)力有上限的蓋板玻璃的用途方面，要想形成非常深的應(yīng)力層是有難度的。④面里的里面破損是沖擊表面外部的物體不尖銳，例如被球狀的物體沖擊時(shí)，在表面不會(huì)受到強(qiáng)大的破壞反而是在里面產(chǎn)生強(qiáng)大的拉應(yīng)力從而破損。這個(gè)也可以通過落球?qū)嶒?yàn)?zāi)M出來。由于產(chǎn)生面里破損需要很大的能量所以實(shí)際上這種模式很難發(fā)生。

4 結(jié)論

隨著電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，對厚度小于1mm的超薄玻璃的需求量迅速增大，被廣泛運(yùn)用于手機(jī)、DVD面板、平板顯示器等。但是超薄化帶來的力學(xué)強(qiáng)度的降低又極大地阻礙了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用?；瘜W(xué)鋼化能顯著提高超薄玻璃的力學(xué)性能，因此開展超薄玻璃化學(xué)鋼化的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

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