玻璃的強(qiáng)化之路

賈麗娟

(河南省南陽市第一中學(xué)校)

隨著建筑、汽車、家居和電子信息等行業(yè)的快速發(fā)展,玻璃市場(chǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)市場(chǎng)研究報(bào)告顯示,全球玻璃市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2025年達(dá)到約63億美元的規(guī)模。玻璃是常見的硅酸鹽材料,制備普通玻璃的主要原料是純堿(Na2CO3)、石灰石(主要成分是CaCO3)和石英砂(主要成分是SiO2)。生產(chǎn)玻璃時(shí),把原料粉碎并按適當(dāng)比例進(jìn)行混合后,放入玻璃熔爐加熱熔融。由于石英的用量比較多,所以普通玻璃是硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅熔融到一起得到的物質(zhì)。這種物質(zhì)沒有一定的熔點(diǎn),只是在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化(對(duì)應(yīng)的溫度叫軟化溫度)。玻璃在生產(chǎn)、加工和使用過程中,表面會(huì)產(chǎn)生大量微裂紋,這些微裂紋的存在使得玻璃實(shí)際強(qiáng)度大大低于理論強(qiáng)度。

在電子顯示領(lǐng)域的薄玻璃(如車載中控玻璃、筆記本電腦顯示屏玻璃等)力學(xué)性能會(huì)得到進(jìn)一步降低,因?yàn)椴Ａг诮档椭亓俊p小體積的同時(shí),雜質(zhì)、缺陷以及任何降低玻璃強(qiáng)度的負(fù)面因素都會(huì)被放大。目前通常采用物理鋼化或化學(xué)鋼化的方法使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,來提高玻璃強(qiáng)度抑制表面微裂紋的擴(kuò)展,從而使普通玻璃的機(jī)械強(qiáng)度提升4～6倍,使鋼化后的玻璃不易破碎,并且破碎時(shí)碎片也沒有尖銳的棱角(圖1),不容易傷人。本文簡(jiǎn)單介紹一下這兩種鋼化方式的原理、影響因素和特點(diǎn)。

圖1 兩種鋼化玻璃碎裂圖

一、物理鋼化和化學(xué)鋼化的原理、影響因素

(一)物理鋼化原理和影響因素

物理鋼化的原理是通過加熱介質(zhì)對(duì)玻璃進(jìn)行加熱,加熱到玻璃的轉(zhuǎn)變溫度(指由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)所對(duì)應(yīng)的溫度)與軟化溫度之間的某個(gè)溫度后(對(duì)于普通的鈉鈣玻璃來說,約為650～700℃),對(duì)其兩側(cè)同時(shí)吹以高壓冷空氣使其迅速冷卻,由于玻璃表面比玻璃內(nèi)部冷卻的快,玻璃表面粘度增加,急劇收縮而產(chǎn)生壓應(yīng)力,玻璃內(nèi)層形成張應(yīng)力,使玻璃獲得較高的強(qiáng)度。物理鋼化玻璃如果想獲得均勻分布的應(yīng)力,則需要冷卻裝置風(fēng)柵及噴嘴布置合理、熱風(fēng)能有效疏散等,這樣才能使玻璃快速且均勻地冷卻。一般來說冷卻強(qiáng)度越高,則玻璃強(qiáng)度越大。

(二)化學(xué)鋼化和影響因素

化學(xué)鋼化是根據(jù)離子的擴(kuò)散機(jī)理來改變玻璃表面組成,即玻璃表層的金屬離子被熔鹽中不同的金屬離子所置換,使玻璃表面形成壓應(yīng)力層而使玻璃得到增強(qiáng)的一種處理工藝。其工藝流程為玻璃預(yù)熱→離子交換→玻璃冷卻,預(yù)熱和冷卻的作用是防止玻璃升溫或冷卻過快造成破裂?；瘜W(xué)鋼化是通過離子交換使玻璃表面形成壓應(yīng)力層達(dá)到提高玻璃強(qiáng)度的方式,主要是在玻璃的應(yīng)變點(diǎn)之下進(jìn)行處理,以熔鹽中半徑大的離子(K+)置換玻璃中半徑小的離子(Na+),使玻璃體積膨脹的趨勢(shì)產(chǎn)生“擠塞”現(xiàn)象從而產(chǎn)生壓應(yīng)力層,其應(yīng)力大小取決于交換離子的體積效應(yīng),K+和Na+交換過程如圖2。

圖2 化學(xué)鋼化原理圖

化學(xué)鋼化會(huì)隨著處理溫度的升高,玻璃強(qiáng)度逐漸增大,并出現(xiàn)了最大值,然后又逐漸減小。這是根據(jù)離子擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)原理,溫度升高有利于離子交換。但溫度高于應(yīng)變點(diǎn)以上玻璃將發(fā)生結(jié)構(gòu)松弛,相應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力松弛,影響玻璃化學(xué)鋼化的強(qiáng)度。玻璃的應(yīng)力層厚度隨著時(shí)間的推移而增加,當(dāng)鋼化時(shí)間過短時(shí),離子交換會(huì)出現(xiàn)不充分的現(xiàn)象導(dǎo)致玻璃強(qiáng)度不足,隨著時(shí)間的延長,玻璃強(qiáng)度會(huì)增加到一個(gè)極大值,當(dāng)交換時(shí)間進(jìn)一步增加,雖然交換層的厚度不斷增加,但是由于應(yīng)力松弛現(xiàn)象,會(huì)造成玻璃強(qiáng)度降低。因此在對(duì)玻璃進(jìn)行化學(xué)鋼化時(shí),必須設(shè)定合理的溫度和時(shí)間。通常人們將離子交換時(shí)間確定為5～8小時(shí),在這一時(shí)間內(nèi)尋求獲得最佳強(qiáng)度的溫度(如380℃、390℃、400℃、410℃或420℃)。

二、兩種鋼化方式的特點(diǎn)

物理鋼化法是通過降溫階段玻璃內(nèi)外層溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力提高強(qiáng)度,不適合生產(chǎn)3 mm以下的薄玻璃。圖3是物理鋼化和化學(xué)鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力分布圖。物理鋼化產(chǎn)品由于應(yīng)力分布比較集中,造成物理鋼化的玻璃鋼化后不能進(jìn)行切割、鉆孔以及研磨拋光等加工,因此鋼化前要將玻璃按照客戶定制的尺寸要求進(jìn)行加工,并且表面劃傷、邊部的敲擊等容易造成鋼化玻璃的迅速破碎,容易產(chǎn)生自爆問題,會(huì)傷及人體。由于物理鋼化溫度較高,玻璃容易產(chǎn)生變形的問題,因此無法在光學(xué)質(zhì)量要求高的領(lǐng)域得到應(yīng)用,常被應(yīng)用于建筑玻璃、火車玻璃、家居用電子秤、玻璃餐桌和汽車用外部防護(hù)玻璃等,其使用壽命超過30年。

圖3 鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力分布圖

化學(xué)鋼化玻璃的應(yīng)力是因?yàn)橹脫Q離子與被置換離子半徑不同而產(chǎn)生的,一般離子交換的深度只有十微米到幾十微米,因此應(yīng)力的大小分布相對(duì)比較均勻,常用于鋼化3 mm以下的玻璃。經(jīng)過化學(xué)鋼化后的玻璃一般抗彎強(qiáng)度是未鋼化前的3～5倍,抗沖擊強(qiáng)度是未鋼化前的5～10倍;產(chǎn)品具有無軟化變形、無自爆現(xiàn)象、鋼化后可再次進(jìn)行切割等加工、不會(huì)產(chǎn)生光學(xué)畸變等優(yōu)點(diǎn),但與物理鋼化玻璃相比,離子交換玻璃生產(chǎn)周期長,效率低(交換時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)),生產(chǎn)成本高(熔鹽純度要求高,不能循環(huán)利用),機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度等物理性能易于消退(也稱松馳),強(qiáng)度隨使用時(shí)間衰減很快(壽命一般在3年以下)等缺點(diǎn)?；瘜W(xué)鋼化玻璃一般應(yīng)用在手機(jī)屏、車載中控屏、筆記本或電腦顯示屏等產(chǎn)品中。

綜上所述,物理鋼化和化學(xué)鋼化作為常用的玻璃強(qiáng)化方法,它們?cè)谔岣卟Ａ阅芊矫婢哂幸欢ǖ膬?yōu)勢(shì)?？傮w而言,物理鋼化和化學(xué)鋼化在加工厚度、玻璃破碎形態(tài)、表面應(yīng)力值、抗沖擊強(qiáng)度以及彎曲強(qiáng)度、光學(xué)性能、表面平整度和加工成本等方面存在一定差異。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同選擇合適的強(qiáng)化方法。未來,隨著科技的不斷進(jìn)步,玻璃在大家的日常生活中扮演著越來越重要的角色,相信還會(huì)有更多新型的玻璃強(qiáng)化技術(shù)問世,為我們的生活帶來更多便利和安全。