离子强化后超薄浮法玻璃翘曲的研究分析

郭卫 田芳 司敏杰 杨慧杰 董明

（浮法玻璃新技术国家重点实验室 中国洛阳浮法玻璃集团有限责任公司技术中心洛阳 471009）

0 引言

浮法工艺中，玻璃成形是在通入保护气体（N2和 H2）的锡槽中完成的，熔融玻璃液从熔窑流入并漂浮在相对密度大的锡液面上，在其重力和表面张力的共同作用下，玻璃液在锡液面上铺开、摊平、抛光、拉薄和退火后，形成玻璃板。在此过程中，渗锡是不可避免的，在锡槽中，玻璃板下表面与锡液接触，称其为玻璃锡面，玻璃上表面与保护气体接触，称其为空气面［1］。国内浮法工艺生产的超薄玻璃，在离子强化后容易出现翘曲变形的问题，使超薄浮法玻璃表面平整度受损，玻璃盖板与显示面板贴合的严密性变差，影响产品的美观和质量，严重影响深加工厂家的使用，限制了超薄浮法玻璃的应用。

1 离子强化后超薄浮法玻璃翘曲现象

为了判断超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲方向，本实验收集的样品为市场上离子强化后的超薄浮法玻璃产品，厚度均为0.7 mm，根据规格尺寸编号1#～ 5#样品，采用广东东莞天勤仪器有限公司精密光学影像仪 weimi432PS 对离子强化后的浮法玻璃样品1#～ 5#进行翘曲值的测量，分别测试其锡面和空气面的翘曲值，其结果见表1。

表1 各样品翘曲值

保持超薄玻璃样品竖立，沿着玻璃样品的长度方向目视观察，可以明显观察到：1#～ 5#样品均为C形弯曲；用锡面识别仪区分出玻璃样品的锡面与空气面，发现1#～ 5#样品翘曲方向是弯向锡面。

从表1中可以看出，对于同一厚度的中铝超薄浮法玻璃，其规格尺寸越大，翘曲度也越大，说明大尺寸的超薄浮法玻璃，其翘曲度较难控制。

电视屏幕、智能手机、移动电话、平板电脑、计算机显示器等未来电子显示装置的发展趋势是超薄和大尺寸，与之配套的盖板玻璃的发展趋势也是超薄和超大，但是尺寸越大、厚度越薄，其翘曲度的控制难度越大，因此，探究超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲机理和控制超薄玻璃的翘曲度对大尺寸的超薄玻璃的应用和发展有着非常重要的意义和价值［2-3］。1#～ 5#玻璃样品锡面和空气面的翘曲值见图1。

图1 1 #～ 5 #玻璃样品锡面和空气面的翘曲值

从图1中可以看出，对于同一片玻璃，锡面的翘曲值比空气面的翘曲值大，说明锡面的起伏变形较大，推测可能是由于浮法玻璃漂浮在锡液面上，玻璃板的空气面是自然抛光，而玻璃板的锡面与锡液相接触，锡液的流场会对玻璃表面产生影响，因此，浮法玻璃锡面比空气面的起伏变形稍大，不论是宏观质量还是微观结构，玻璃板的锡面和空气面存在较大差异，这在超薄玻璃板上表现得更突出。

2 能谱分析

2.1 原片的能谱分析

离子强化前原片样品的表面成分检测采用带有能谱仪（ Energy Dispersive Spectrometer， EDS）的扫描电子显微镜进行测量，点浓度的采集为玻璃锡面和空气面随机选取多点进行测试，为了去掉绝对误差，数据值进行了归一化处理，根据能谱测试结果，由原子分数换算为质量分数，其结果如表2所示。

表2 原片锡面与空气面成分

由表2可以计算出玻璃锡面与空气面各氧化物的含量变化率，各氧化物的含量变化率为（锡面和空气面的质量分数差值/锡面的质量分数）×100%，计算结果见表3。

由表3可以看出，在超薄浮法玻璃空气面和锡面的表面成分中，SnO2含量的变化率最大，高达76.2%，而其他成分含量的变化率为1%～5%；说明在同一强化工艺条件下，玻璃表面成分中的锡是影响空气面和锡面在离子强化过程中出现差异的最主要因素。

2.2 离子强化样品的能谱分析

对离子强化后的3#超薄浮法玻璃样品进行了能谱测试分析，在锡面和空气面任意取多点进行能谱测试，取其平均值，其结果见表4。

表4 3 #样品锡面与空气面成分

由表4可以看出，离子强化后的3#玻璃样品，其锡面的Na2O质量分数约为3.2%，空气面的Na2O质量分数约为2.9%，锡面的K2O质量分数约为12.9%，空气面的K2O质量分数约为13.5%，其锡面的Na2O含量高于空气面的Na2O含量，锡面的K2O含量低于空气面的K2O含量，说明在离子强化过程中，锡面的Na+和 K+的离子交换量较空气面要小一些，即在玻璃体锡面，熔盐中的K+进入玻璃体的量比空气面一侧熔盐中的K+进入玻璃体的量少，玻璃体中锡面一侧的Na+析出较空气面一侧的Na+析出少，所以玻璃锡面一侧剩余的Na+较空气面一侧多，其K+含量也较空气面一侧少；同理，玻璃空气面一侧Na+和K+离子交换量较锡面一侧稍大，总之，玻璃锡面的离子交换量稍低于空气面的离子交换量［4］。

取3#玻璃样品与原片进行对比分析，结果如图2所示。

图2 原片和3 #样品的Na 2O和K 2O含量变化

由图2可以看出，与原片相比，不管是锡面还是空气面，3#样品Na2O含量明显减少，K2O含量明显增多，并且对于原片，其锡面的Na2O含量低于空气面的Na2O含量，锡面的K2O含量稍高于空气面的K2O含量，经过离子强化后，其锡面的Na2O含量高于空气面的Na2O含量，锡面的K2O含量低于空气面的K2O含量，也证明了锡面K+和Na+的交换量稍低于空气面的交换量［3］。

对1#～ 5#样品均进行了能谱测试，样品呈现同样的规律和趋势，即离子强化后的样品，其玻璃表面Na2O和K2O的含量，锡面的Na2O含量稍高于空气面的Na2O含量，锡面的K2O含量稍低于空气面K2O含量，即玻璃锡面的离子交换量稍低于空气面的离子交换量，这可能是由于玻璃锡面渗入了一定量的锡离子（ Sn2+或 Sn4+） ，使得超薄玻璃板两面存在Na+离子浓度差，因此，超薄玻璃板在离子强化处理时，锡面和空气面的 K+→Na+扩散速率和交换总量存在一定差异，使得玻璃锡面的小半径Na+和熔盐中大半径K+的离子交换量低于空气面的离子交换量，推测是由于大半径K+置换小半径Na+较多，则其表面膨胀量较大，玻璃锡面和空气面离子交换量不同，可能导致玻璃板两面膨胀增量出现差异，锡面的交换量低，其膨胀量较少，空气面离子交换量大，其膨胀量较大，是造成离子强化玻璃出现向锡面弯曲的重要原因之一。

3 结语

显示装置基板玻璃呈现出薄型化和轻量化的趋势，但超薄化的同时也带来显而易见的弊端。对于浮法工艺生产的超薄玻璃，成形时由于玻璃下表面与锡接触而存在不可避免的离子交换和扩散过程，导致玻璃上下表面离子分布存在差异，因此造成玻璃板在离子强化过程中上下表面膨胀量不同而产生翘曲，严重影响产品质量。通过调整玻璃厚度、合理的成形温度制度，提高锡槽密封性，控制玻璃在锡槽内部成形时间，使浮法玻璃上下表面的Sn离子浓度比例达到最佳，可有效控制超薄浮法玻璃的翘曲问题［5］。对浮法玻璃离子强化后的翘曲问题及生产工艺优化具有指导意义。