玻璃的強化之路

賈麗娟

(河南省南陽市第一中學校)

隨著建筑、汽車、家居和電子信息等行業(yè)的快速發(fā)展,玻璃市場的規(guī)模不斷擴大。據(jù)市場研究報告顯示,全球玻璃市場預計在2025年達到約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,把原料粉碎并按適當比例進行混合后,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,只是在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化(對應的溫度叫軟化溫度)。玻璃在生產(chǎn)、加工和使用過程中,表面會產(chǎn)生大量微裂紋,這些微裂紋的存在使得玻璃實際強度大大低于理論強度。

在電子顯示領域的薄玻璃(如車載中控玻璃、筆記本電腦顯示屏玻璃等)力學性能會得到進一步降低,因為玻璃在降低重量、減小體積的同時,雜質(zhì)、缺陷以及任何降低玻璃強度的負面因素都會被放大。目前通常采用物理鋼化或化學鋼化的方法使玻璃表面產(chǎn)生壓應力,來提高玻璃強度抑制表面微裂紋的擴展,從而使普通玻璃的機械強度提升4～6倍,使鋼化后的玻璃不易破碎,并且破碎時碎片也沒有尖銳的棱角(圖1),不容易傷人。本文簡單介紹一下這兩種鋼化方式的原理、影響因素和特點。

圖1 兩種鋼化玻璃碎裂圖

一、物理鋼化和化學鋼化的原理、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)對玻璃進行加熱,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)所對應的溫度)與軟化溫度之間的某個溫度后(對于普通的鈉鈣玻璃來說,約為650～700℃),對其兩側(cè)同時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)生壓應力,玻璃內(nèi)層形成張應力,使玻璃獲得較高的強度。物理鋼化玻璃如果想獲得均勻分布的應力,則需要冷卻裝置風柵及噴嘴布置合理、熱風能有效疏散等,這樣才能使玻璃快速且均勻地冷卻。一般來說冷卻強度越高,則玻璃強度越大。

(二)化學鋼化和影響因素

化學鋼化是根據(jù)離子的擴散機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力層而使玻璃得到增強的一種處理工藝。其工藝流程為玻璃預熱→離子交換→玻璃冷卻,預熱和冷卻的作用是防止玻璃升溫或冷卻過快造成破裂。化學鋼化是通過離子交換使玻璃表面形成壓應力層達到提高玻璃強度的方式,主要是在玻璃的應變點之下進行處理,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產(chǎn)生“擠塞”現(xiàn)象從而產(chǎn)生壓應力層,其應力大小取決于交換離子的體積效應,K+和Na+交換過程如圖2。

圖2 化學鋼化原理圖

化學鋼化會隨著處理溫度的升高,玻璃強度逐漸增大,并出現(xiàn)了最大值,然后又逐漸減小。這是根據(jù)離子擴散的動力學原理,溫度升高有利于離子交換。但溫度高于應變點以上玻璃將發(fā)生結(jié)構(gòu)松弛,相應產(chǎn)生應力松弛,影響玻璃化學鋼化的強度。玻璃的應力層厚度隨著時間的推移而增加,當鋼化時間過短時,離子交換會出現(xiàn)不充分的現(xiàn)象導致玻璃強度不足,隨著時間的延長,玻璃強度會增加到一個極大值,當交換時間進一步增加,雖然交換層的厚度不斷增加,但是由于應力松弛現(xiàn)象,會造成玻璃強度降低。因此在對玻璃進行化學鋼化時,必須設定合理的溫度和時間。通常人們將離子交換時間確定為5～8小時,在這一時間內(nèi)尋求獲得最佳強度的溫度(如380℃、390℃、400℃、410℃或420℃)。

二、兩種鋼化方式的特點

物理鋼化法是通過降溫階段玻璃內(nèi)外層溫度差產(chǎn)生的應力提高強度,不適合生產(chǎn)3 mm以下的薄玻璃。圖3是物理鋼化和化學鋼化玻璃內(nèi)部應力分布圖。物理鋼化產(chǎn)品由于應力分布比較集中,造成物理鋼化的玻璃鋼化后不能進行切割、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,因此無法在光學質(zhì)量要求高的領域得到應用,常被應用于建筑玻璃、火車玻璃、家居用電子秤、玻璃餐桌和汽車用外部防護玻璃等,其使用壽命超過30年。

圖3 鋼化玻璃內(nèi)部應力分布圖

化學鋼化玻璃的應力是因為置換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,因此應力的大小分布相對比較均勻,常用于鋼化3 mm以下的玻璃。經(jīng)過化學鋼化后的玻璃一般抗彎強度是未鋼化前的3～5倍,抗沖擊強度是未鋼化前的5～10倍;產(chǎn)品具有無軟化變形、無自爆現(xiàn)象、鋼化后可再次進行切割等加工、不會產(chǎn)生光學畸變等優(yōu)點,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(交換時間長達數(shù)小時),生產(chǎn)成本高(熔鹽純度要求高,不能循環(huán)利用),機械強度和抗沖擊強度等物理性能易于消退(也稱松馳),強度隨使用時間衰減很快(壽命一般在3年以下)等缺點。化學鋼化玻璃一般應用在手機屏、車載中控屏、筆記本或電腦顯示屏等產(chǎn)品中。

綜上所述,物理鋼化和化學鋼化作為常用的玻璃強化方法,它們在提高玻璃性能方面具有一定的優(yōu)勢。總體而言,物理鋼化和化學鋼化在加工厚度、玻璃破碎形態(tài)、表面應力值、抗沖擊強度以及彎曲強度、光學性能、表面平整度和加工成本等方面存在一定差異。在實際應用中,應根據(jù)應用場景不同選擇合適的強化方法。未來,隨著科技的不斷進步,玻璃在大家的日常生活中扮演著越來越重要的角色,相信還會有更多新型的玻璃強化技術問世,為我們的生活帶來更多便利和安全。