恢復(fù)玻璃本征強(qiáng)度的工藝概述

沈鋒 王成 徐錦偉

（江蘇錫佛光電科技有限公司 江蘇 無(wú)錫 214000）

1 玻璃本征強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度

玻璃的本征強(qiáng)度高達(dá)10～14 Gpa，其理論強(qiáng)度應(yīng)為幾千兆帕，這已被俄羅斯技術(shù)玻璃院的專家所證實(shí)。但實(shí)際強(qiáng)度降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)（＜140 MPa），兩者相差100～200倍之多［1］。造成玻璃強(qiáng)度降低的原因很多：玻璃暴露在未加控制的大氣環(huán)境中，表面和邊部狀態(tài)非常復(fù)雜，大氣中所含的水、酸、堿等活性介質(zhì)與玻璃表面的作用等諸多影響因素，玻璃后期加工中新增的損傷，造成實(shí)際玻璃中存在大量微觀和宏觀缺陷，主要是微裂紋等，使玻璃實(shí)際強(qiáng)度大大降低，其抗拉強(qiáng)度也只有抗壓強(qiáng)度的1/8～1/10，玻璃由本征強(qiáng)度似鋼板變成了脆性材料和易碎品。由于玻璃表面存在大量的微裂紋和缺陷，按照脆性材料最弱環(huán)節(jié)破壞理論，最致命或最嚴(yán)重的缺陷導(dǎo)致破壞，所以玻璃的強(qiáng)度只有幾十兆帕。

2 還原玻璃本征強(qiáng)度的工藝

玻璃的理論強(qiáng)度本文稱之為本征強(qiáng)度，應(yīng)力可達(dá)到10 000 MPa以上，即與鋼板的強(qiáng)度相當(dāng)并超出。玻璃增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)際是如何還原玻璃本征強(qiáng)度的技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家致力于研究探索玻璃增強(qiáng)的技術(shù)，即圍繞消除、減少或鈍化玻璃表面和邊部缺陷、微裂紋，目的是為最大程度恢復(fù)玻璃的原有強(qiáng)度。

迄今為止，人們通過多種途徑來(lái)提高玻璃的強(qiáng)度或恢復(fù)玻璃本征強(qiáng)度，主要工藝或方法有：

2.1 快速風(fēng)冷鋼化法（物理鋼化）

玻璃加熱至軟化狀態(tài)后立即以風(fēng)為介質(zhì)淬冷（也有以微粒、水霧為介質(zhì)的，但未普及），玻璃溫度平衡后，溫度梯度消失，玻璃表面產(chǎn)生了壓應(yīng)力層，內(nèi)部產(chǎn)生了張應(yīng)力，玻璃具有了一種均勻而有規(guī)律分布的永久內(nèi)應(yīng)力，再加上玻璃經(jīng)加熱至軟化狀態(tài)時(shí)微裂紋鈍化，從而提高了玻璃的強(qiáng)度，這種能改善玻璃性能的熱處理方法稱為鋼化工藝，物理（風(fēng)冷）法鋼化玻璃的抗沖擊強(qiáng)度是一般玻璃的3～5倍或以上。鋼化玻璃破碎時(shí)，碎片顆粒小，不易傷人，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 113—2015《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》把它與夾層玻璃一起列為安全玻璃品種之一。

2.2 離子交換法（化學(xué)鋼化）

常用的化學(xué)鋼化玻璃是采用低溫離子交換工藝生產(chǎn)，在一定溫度條件（400～450 ℃）下把玻璃沉浸在熔鹽中，玻璃中的小半徑堿金屬離子與熔鹽中的大半徑堿金屬離子互相交換，產(chǎn)生互擴(kuò)散過程，在玻璃表層產(chǎn)生具有很大應(yīng)力值的壓應(yīng)力層（幾微米至數(shù)百微米的深度），導(dǎo)致玻璃表面的微裂紋大部分消失或鈍化，從而提高玻璃的強(qiáng)度。

化學(xué)鋼化玻璃平整度好，不產(chǎn)生光學(xué)變形，對(duì)需加工玻璃的厚度和形狀沒有要求，可彌補(bǔ)物理鋼化不能加工2.5 mm以下薄玻璃的不足。化學(xué)鋼化玻璃表面應(yīng)力值遠(yuǎn)大于物理鋼化玻璃［2］但其應(yīng)力不能算永久應(yīng)力，所以化學(xué)鋼化玻璃的一個(gè)致命弱點(diǎn)是隨使用時(shí)間易產(chǎn)生應(yīng)力松弛，若干年后它又會(huì)變得與普通玻璃差不多了，但它不會(huì)自爆而比物理鋼化玻璃強(qiáng)。另外，化學(xué)鋼化玻璃的碎片狀態(tài)與普通玻璃相似，所以不被認(rèn)為是安全玻璃。它可以進(jìn)行再切裁、磨邊等加工。

二次離子交換（ESP玻璃）目前也正在進(jìn)一步研究，并開始有少量應(yīng)用，其表面壓應(yīng)力層得到加深，微裂紋的鈍化也更徹底，所以玻璃強(qiáng)度的穩(wěn)定性得到提高，ESP玻璃的推廣將成為今后化學(xué)鋼化玻璃發(fā)展的重點(diǎn)。

2.3 酸洗＋化學(xué)鋼化法

玻璃經(jīng)酸洗后能去除大部分的微裂紋，未被去除的微裂紋也會(huì)被鈍化，傳統(tǒng)酸洗工藝使用的是氫氟酸，不易得到光滑的玻璃表面，酸洗侵蝕后產(chǎn)生的鹽類，如Na2S iF6、 CaF2等都附著在玻璃表面。本文所述的酸洗工藝改進(jìn)了傳統(tǒng)單用氫氟酸酸洗的工藝， 在氫氟酸中加入硫酸和硝酸2%～3%，玻璃經(jīng)酸洗后表面微裂紋大部分消除或被鈍化，強(qiáng)度可達(dá)到600～800 MPa。由于酸洗化學(xué)腐蝕后玻璃表面無(wú)法保持而容易產(chǎn)生損傷，所以不能單獨(dú)使用化學(xué)腐蝕法，必須結(jié)合強(qiáng)化工藝或鍍膜工藝等處理才能得到應(yīng)有的效果。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)化學(xué)侵蝕酸洗后的玻璃一是要快速（1 h以內(nèi)，越快越好）鋼化或鍍膜處理，二是酸洗后的玻璃表面要避免擦碰，所以選擇鋼化工藝時(shí)，一般不采取與輥道接觸的物理鋼化法而采用化學(xué)鋼化法。

2.4 玻璃表面涂層

玻璃綜合增強(qiáng)技術(shù)中的表面保護(hù)主要是玻璃表面涂層，如有機(jī)硅涂層。在研究了涂層的抗劃傷及抗外界環(huán)境的侵蝕能力后，技術(shù)人員確定了AF膜層最為適合，AF膜實(shí)際上是由特殊結(jié)構(gòu)的氫硅樹脂配制而成的一種含氫涂料經(jīng)納米技術(shù)在基材表面制成的薄膜。含氫主要成分為十七氫葵基三乙氧基硅烷，該膜層具有防水防污、絕緣耐酸、耐磨抗劃痕等功能，其附著力、成膜薄性、透光率等性能優(yōu)越，不易附著指紋等污染物，便于清潔打理，能長(zhǎng)期保持產(chǎn)品的品質(zhì)。

由于玻璃在大氣環(huán)境或使用的差環(huán)境中存在應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，玻璃表面的裂紋會(huì)緩慢擴(kuò)展造成強(qiáng)度降低，所以玻璃綜合增強(qiáng)后應(yīng)有玻璃表面涂層保護(hù)措施，隔絕大氣與環(huán)境因素等對(duì)玻璃表面的侵蝕。

2.5 激光切割

玻璃表面有微裂紋，邊部也有缺陷和微裂紋，特別是玻璃經(jīng)加工后產(chǎn)生的邊部裂紋會(huì)增加很多，且很多已不是微裂紋而是裂紋，經(jīng)專家研究，玻璃邊部的缺陷和微裂紋占到整個(gè)玻璃的33%～40%，玻璃邊部加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到玻璃的強(qiáng)度，所以，切割不損傷玻璃并消除切割的邊部缺陷，對(duì)玻璃增強(qiáng)效果明顯，是共性關(guān)鍵技術(shù)之一。激光技術(shù)用于切割玻璃，切口光滑平直、無(wú)任何缺陷和微裂紋，無(wú)需二次加工（指磨邊），效率高（薄玻璃可實(shí)現(xiàn)多片同時(shí)切割）、精度好（尺寸偏差可控制在0～0.3mm），成品率高，可以實(shí)現(xiàn)各種異形、鋼化玻璃切割和占孔割槽等加工。

2.6 等離子體原位處理技術(shù)

采用氫、氬、氮、氟等氣氛的活性等離子體來(lái)刻蝕處理玻璃表面，通過控制等離子體放電形式和空間能態(tài)分布，可以很大程度上清除玻璃表面的各種缺陷，實(shí)現(xiàn)玻璃材料表面狀態(tài)一定程度的原生態(tài)還原，進(jìn)而大幅提高玻璃本體強(qiáng)度，并為復(fù)合材料的多層結(jié)合提供清潔的活性界面。此類等離子體處理方式有效避免了常規(guī)處理方法的二次應(yīng)力問題，具有技術(shù)上的原創(chuàng)性和可實(shí)現(xiàn)性。

3 還原玻璃本征強(qiáng)度的結(jié)合或復(fù)合工藝

以上6種玻璃增強(qiáng)工藝技術(shù)，除第3種酸洗不能單獨(dú)完成而需另加使其保持或保護(hù)工序外，都分別是一種工藝，行業(yè)內(nèi)一直有一種提法叫做“綜合增強(qiáng)”，就是把上述各種工藝綜合起來(lái)使玻璃增強(qiáng)最大化。但是，實(shí)際操作中只能有針對(duì)性地選擇二種、三種或四種進(jìn)行結(jié)合或復(fù)合。幾種較佳組合或復(fù)合工藝：

（1）酸洗＋化學(xué)鋼化＋表面涂層（涂膜或鍍膜）

按上述酸洗方法并立即化學(xué)鋼化，隨后再作涂膜或鍍膜，對(duì)上述工藝增強(qiáng)的效果作保持措施。

該組合工藝優(yōu)點(diǎn)是玻璃在鋼化前加了酸洗工序，玻璃增強(qiáng)效果更佳，因鋼化工藝是選用的化學(xué)鋼化，增加鍍膜工藝對(duì)酸洗的效果并進(jìn)一步保持，并可避免化學(xué)鋼化玻璃應(yīng)力松弛。缺點(diǎn)是制造成本高。

（2）酸洗＋表面涂層（鍍膜）＋物理鋼化

酸洗后必須立即表面涂層，再進(jìn)行物理鋼化加強(qiáng)。

該組合工藝適于厚度3 mm以上玻璃，玻璃增強(qiáng)效果明顯，制造成本也不高。缺點(diǎn)是不能加工2 mm以下薄玻璃。

（3）激光切割＋化學(xué)鋼化＋鍍膜

玻璃激光切割（含割孔、割槽等）后玻璃邊部的缺陷和微裂紋都被消除，加上化學(xué)鋼化對(duì)玻璃表面的微裂紋作消除鈍化處理，二次化學(xué)鋼化（ESP）效果更好，再進(jìn)行雙面鍍膜對(duì)化學(xué)鋼化的增強(qiáng)效果作保持，避免其隨使用時(shí)間產(chǎn)生應(yīng)力松弛。

（4）激光切割＋玻璃表面等離子體原位處理技術(shù)＋鍍膜

玻璃表面等離子體原位處理技術(shù)對(duì)玻璃邊部的處理還不完善，玻璃激光切割完美地解決了這一問題，再加上鍍膜作進(jìn)一步保護(hù)就更完美。

（5）激光切割＋玻璃表面等離子體原位處理技術(shù)＋鍍膜＋物理鋼化

對(duì)上面增強(qiáng)技術(shù)再作物理鋼化，提高保險(xiǎn)程度。

激光切割優(yōu)點(diǎn)明顯，效果更是十分理想。

玻璃經(jīng)激光切割后無(wú)需磨邊，不割手，呈亮邊狀態(tài)。由于不需要磨邊，所以掉片、過磨、欠磨、燒邊等缺陷都沒有，最主要的優(yōu)點(diǎn)是沒有微裂紋，為玻璃增強(qiáng)技術(shù)解決了大難題。

使用激光切割，可節(jié)省掉玻璃加工中心（切及磨、鉆（銑）、洗），節(jié)省了大量水資源。

激光切割加等離子原位處理技術(shù)是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，是玻璃增強(qiáng)技術(shù)中最為關(guān)鍵的，增強(qiáng)效果最好。缺點(diǎn)是激光切割機(jī)和等離子處理設(shè)備價(jià)格較高，增加了制造成本。

以上是幾種較為合適的組合，但不限于上述組合方式，可依據(jù)產(chǎn)品實(shí)際或成本調(diào)整組合方式。

4 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于玻璃增強(qiáng)技術(shù)的研究和論述已有很多，本文增加了激光切割和玻璃等離子體原位處理技術(shù)，通過各種玻璃增強(qiáng)工藝的合理組合，對(duì)消除和鈍化玻璃微裂紋，不同程度地恢復(fù)或接近玻璃本征強(qiáng)度有重要意義。