恢复玻璃本征强度的工艺概述

沈锋 王成 徐锦伟

（江苏锡佛光电科技有限公司 江苏 无锡 214000）

1 玻璃本征强度与实际强度

玻璃的本征强度高达10～14 Gpa，其理论强度应为几千兆帕，这已被俄罗斯技术玻璃院的专家所证实。但实际强度降低了几个数量级（＜140 MPa），两者相差100～200倍之多［1］。造成玻璃强度降低的原因很多：玻璃暴露在未加控制的大气环境中，表面和边部状态非常复杂，大气中所含的水、酸、碱等活性介质与玻璃表面的作用等诸多影响因素，玻璃后期加工中新增的损伤，造成实际玻璃中存在大量微观和宏观缺陷，主要是微裂纹等，使玻璃实际强度大大降低，其抗拉强度也只有抗压强度的1/8～1/10，玻璃由本征强度似钢板变成了脆性材料和易碎品。由于玻璃表面存在大量的微裂纹和缺陷，按照脆性材料最弱环节破坏理论，最致命或最严重的缺陷导致破坏，所以玻璃的强度只有几十兆帕。

2 还原玻璃本征强度的工艺

玻璃的理论强度本文称之为本征强度，应力可达到10 000 MPa以上，即与钢板的强度相当并超出。玻璃增强技术，实际是如何还原玻璃本征强度的技术，长期以来，科学家致力于研究探索玻璃增强的技术，即围绕消除、减少或钝化玻璃表面和边部缺陷、微裂纹，目的是为最大程度恢复玻璃的原有强度。

迄今为止，人们通过多种途径来提高玻璃的强度或恢复玻璃本征强度，主要工艺或方法有：

2.1 快速风冷钢化法（物理钢化）

玻璃加热至软化状态后立即以风为介质淬冷（也有以微粒、水雾为介质的，但未普及），玻璃温度平衡后，温度梯度消失，玻璃表面产生了压应力层，内部产生了张应力，玻璃具有了一种均匀而有规律分布的永久内应力，再加上玻璃经加热至软化状态时微裂纹钝化，从而提高了玻璃的强度，这种能改善玻璃性能的热处理方法称为钢化工艺，物理（风冷）法钢化玻璃的抗冲击强度是一般玻璃的3～5倍或以上。钢化玻璃破碎时，碎片颗粒小，不易伤人，行业标准JGJ 113—2015《建筑玻璃应用技术规程》把它与夹层玻璃一起列为安全玻璃品种之一。

2.2 离子交换法（化学钢化）

常用的化学钢化玻璃是采用低温离子交换工艺生产，在一定温度条件（400～450 ℃）下把玻璃沉浸在熔盐中，玻璃中的小半径碱金属离子与熔盐中的大半径碱金属离子互相交换，产生互扩散过程，在玻璃表层产生具有很大应力值的压应力层（几微米至数百微米的深度），导致玻璃表面的微裂纹大部分消失或钝化，从而提高玻璃的强度。

化学钢化玻璃平整度好，不产生光学变形，对需加工玻璃的厚度和形状没有要求，可弥补物理钢化不能加工2.5 mm以下薄玻璃的不足。化学钢化玻璃表面应力值远大于物理钢化玻璃［2］但其应力不能算永久应力，所以化学钢化玻璃的一个致命弱点是随使用时间易产生应力松弛，若干年后它又会变得与普通玻璃差不多了，但它不会自爆而比物理钢化玻璃强。另外，化学钢化玻璃的碎片状态与普通玻璃相似，所以不被认为是安全玻璃。它可以进行再切裁、磨边等加工。

二次离子交换（ESP玻璃）目前也正在进一步研究，并开始有少量应用，其表面压应力层得到加深，微裂纹的钝化也更彻底，所以玻璃强度的稳定性得到提高，ESP玻璃的推广将成为今后化学钢化玻璃发展的重点。

2.3 酸洗＋化学钢化法

玻璃经酸洗后能去除大部分的微裂纹，未被去除的微裂纹也会被钝化，传统酸洗工艺使用的是氢氟酸，不易得到光滑的玻璃表面，酸洗侵蚀后产生的盐类，如Na2S iF6、 CaF2等都附着在玻璃表面。本文所述的酸洗工艺改进了传统单用氢氟酸酸洗的工艺， 在氢氟酸中加入硫酸和硝酸2%～3%，玻璃经酸洗后表面微裂纹大部分消除或被钝化，强度可达到600～800 MPa。由于酸洗化学腐蚀后玻璃表面无法保持而容易产生损伤，所以不能单独使用化学腐蚀法，必须结合强化工艺或镀膜工艺等处理才能得到应有的效果。在实际应用中，经化学侵蚀酸洗后的玻璃一是要快速（1 h以内，越快越好）钢化或镀膜处理，二是酸洗后的玻璃表面要避免擦碰，所以选择钢化工艺时，一般不采取与辊道接触的物理钢化法而采用化学钢化法。

2.4 玻璃表面涂层

玻璃综合增强技术中的表面保护主要是玻璃表面涂层，如有机硅涂层。在研究了涂层的抗划伤及抗外界环境的侵蚀能力后，技术人员确定了AF膜层最为适合，AF膜实际上是由特殊结构的氢硅树脂配制而成的一种含氢涂料经纳米技术在基材表面制成的薄膜。含氢主要成分为十七氢葵基三乙氧基硅烷，该膜层具有防水防污、绝缘耐酸、耐磨抗划痕等功能，其附着力、成膜薄性、透光率等性能优越，不易附着指纹等污染物，便于清洁打理，能长期保持产品的品质。

由于玻璃在大气环境或使用的差环境中存在应力腐蚀现象，玻璃表面的裂纹会缓慢扩展造成强度降低，所以玻璃综合增强后应有玻璃表面涂层保护措施，隔绝大气与环境因素等对玻璃表面的侵蚀。

2.5 激光切割

玻璃表面有微裂纹，边部也有缺陷和微裂纹，特别是玻璃经加工后产生的边部裂纹会增加很多，且很多已不是微裂纹而是裂纹，经专家研究，玻璃边部的缺陷和微裂纹占到整个玻璃的33%～40%，玻璃边部加工质量的优劣直接影响到玻璃的强度，所以，切割不损伤玻璃并消除切割的边部缺陷，对玻璃增强效果明显，是共性关键技术之一。激光技术用于切割玻璃，切口光滑平直、无任何缺陷和微裂纹，无需二次加工（指磨边），效率高（薄玻璃可实现多片同时切割）、精度好（尺寸偏差可控制在0～0.3mm），成品率高，可以实现各种异形、钢化玻璃切割和占孔割槽等加工。

2.6 等离子体原位处理技术

采用氢、氩、氮、氟等气氛的活性等离子体来刻蚀处理玻璃表面，通过控制等离子体放电形式和空间能态分布，可以很大程度上清除玻璃表面的各种缺陷，实现玻璃材料表面状态一定程度的原生态还原，进而大幅提高玻璃本体强度，并为复合材料的多层结合提供清洁的活性界面。此类等离子体处理方式有效避免了常规处理方法的二次应力问题，具有技术上的原创性和可实现性。

3 还原玻璃本征强度的结合或复合工艺

以上6种玻璃增强工艺技术，除第3种酸洗不能单独完成而需另加使其保持或保护工序外，都分别是一种工艺，行业内一直有一种提法叫做“综合增强”，就是把上述各种工艺综合起来使玻璃增强最大化。但是，实际操作中只能有针对性地选择二种、三种或四种进行结合或复合。几种较佳组合或复合工艺：

（1）酸洗＋化学钢化＋表面涂层（涂膜或镀膜）

按上述酸洗方法并立即化学钢化，随后再作涂膜或镀膜，对上述工艺增强的效果作保持措施。

该组合工艺优点是玻璃在钢化前加了酸洗工序，玻璃增强效果更佳，因钢化工艺是选用的化学钢化，增加镀膜工艺对酸洗的效果并进一步保持，并可避免化学钢化玻璃应力松弛。缺点是制造成本高。

（2）酸洗＋表面涂层（镀膜）＋物理钢化

酸洗后必须立即表面涂层，再进行物理钢化加强。

该组合工艺适于厚度3 mm以上玻璃，玻璃增强效果明显，制造成本也不高。缺点是不能加工2 mm以下薄玻璃。

（3）激光切割＋化学钢化＋镀膜

玻璃激光切割（含割孔、割槽等）后玻璃边部的缺陷和微裂纹都被消除，加上化学钢化对玻璃表面的微裂纹作消除钝化处理，二次化学钢化（ESP）效果更好，再进行双面镀膜对化学钢化的增强效果作保持，避免其随使用时间产生应力松弛。

（4）激光切割＋玻璃表面等离子体原位处理技术＋镀膜

玻璃表面等离子体原位处理技术对玻璃边部的处理还不完善，玻璃激光切割完美地解决了这一问题，再加上镀膜作进一步保护就更完美。

（5）激光切割＋玻璃表面等离子体原位处理技术＋镀膜＋物理钢化

对上面增强技术再作物理钢化，提高保险程度。

激光切割优点明显，效果更是十分理想。

玻璃经激光切割后无需磨边，不割手，呈亮边状态。由于不需要磨边，所以掉片、过磨、欠磨、烧边等缺陷都没有，最主要的优点是没有微裂纹，为玻璃增强技术解决了大难题。

使用激光切割，可节省掉玻璃加工中心（切及磨、钻（铣）、洗），节省了大量水资源。

激光切割加等离子原位处理技术是强强联合，是玻璃增强技术中最为关键的，增强效果最好。缺点是激光切割机和等离子处理设备价格较高，增加了制造成本。

以上是几种较为合适的组合，但不限于上述组合方式，可依据产品实际或成本调整组合方式。

4 结语

关于玻璃增强技术的研究和论述已有很多，本文增加了激光切割和玻璃等离子体原位处理技术，通过各种玻璃增强工艺的合理组合，对消除和钝化玻璃微裂纹，不同程度地恢复或接近玻璃本征强度有重要意义。