玻璃的强化之路

贾丽娟

(河南省南阳市第一中学校)

随着建筑、汽车、家居和电子信息等行业的快速发展,玻璃市场的规模不断扩大。据市场研究报告显示,全球玻璃市场预计在2025年达到约63亿美元的规模。玻璃是常见的硅酸盐材料,制备普通玻璃的主要原料是纯碱(Na2CO3)、石灰石(主要成分是CaCO3)和石英砂(主要成分是SiO2)。生产玻璃时,把原料粉碎并按适当比例进行混合后,放入玻璃熔炉加热熔融。由于石英的用量比较多,所以普通玻璃是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅熔融到一起得到的物质。这种物质没有一定的熔点,只是在某一温度范围内逐渐软化(对应的温度叫软化温度)。玻璃在生产、加工和使用过程中,表面会产生大量微裂纹,这些微裂纹的存在使得玻璃实际强度大大低于理论强度。

在电子显示领域的薄玻璃(如车载中控玻璃、笔记本电脑显示屏玻璃等)力学性能会得到进一步降低,因为玻璃在降低重量、减小体积的同时,杂质、缺陷以及任何降低玻璃强度的负面因素都会被放大。目前通常采用物理钢化或化学钢化的方法使玻璃表面产生压应力,来提高玻璃强度抑制表面微裂纹的扩展,从而使普通玻璃的机械强度提升4～6倍,使钢化后的玻璃不易破碎,并且破碎时碎片也没有尖锐的棱角(图1),不容易伤人。本文简单介绍一下这两种钢化方式的原理、影响因素和特点。

图1 两种钢化玻璃碎裂图

一、物理钢化和化学钢化的原理、影响因素

(一)物理钢化原理和影响因素

物理钢化的原理是通过加热介质对玻璃进行加热,加热到玻璃的转变温度(指由玻璃态转变为高弹态所对应的温度)与软化温度之间的某个温度后(对于普通的钠钙玻璃来说,约为650～700℃),对其两侧同时吹以高压冷空气使其迅速冷却,由于玻璃表面比玻璃内部冷却的快,玻璃表面粘度增加,急剧收缩而产生压应力,玻璃内层形成张应力,使玻璃获得较高的强度。物理钢化玻璃如果想获得均匀分布的应力,则需要冷却装置风栅及喷嘴布置合理、热风能有效疏散等,这样才能使玻璃快速且均匀地冷却。一般来说冷却强度越高,则玻璃强度越大。

(二)化学钢化和影响因素

化学钢化是根据离子的扩散机理来改变玻璃表面组成,即玻璃表层的金属离子被熔盐中不同的金属离子所置换,使玻璃表面形成压应力层而使玻璃得到增强的一种处理工艺。其工艺流程为玻璃预热→离子交换→玻璃冷却,预热和冷却的作用是防止玻璃升温或冷却过快造成破裂。化学钢化是通过离子交换使玻璃表面形成压应力层达到提高玻璃强度的方式,主要是在玻璃的应变点之下进行处理,以熔盐中半径大的离子(K+)置换玻璃中半径小的离子(Na+),使玻璃体积膨胀的趋势产生“挤塞”现象从而产生压应力层,其应力大小取决于交换离子的体积效应,K+和Na+交换过程如图2。

图2 化学钢化原理图

化学钢化会随着处理温度的升高,玻璃强度逐渐增大,并出现了最大值,然后又逐渐减小。这是根据离子扩散的动力学原理,温度升高有利于离子交换。但温度高于应变点以上玻璃将发生结构松弛,相应产生应力松弛,影响玻璃化学钢化的强度。玻璃的应力层厚度随着时间的推移而增加,当钢化时间过短时,离子交换会出现不充分的现象导致玻璃强度不足,随着时间的延长,玻璃强度会增加到一个极大值,当交换时间进一步增加,虽然交换层的厚度不断增加,但是由于应力松弛现象,会造成玻璃强度降低。因此在对玻璃进行化学钢化时,必须设定合理的温度和时间。通常人们将离子交换时间确定为5～8小时,在这一时间内寻求获得最佳强度的温度(如380℃、390℃、400℃、410℃或420℃)。

二、两种钢化方式的特点

物理钢化法是通过降温阶段玻璃内外层温度差产生的应力提高强度,不适合生产3 mm以下的薄玻璃。图3是物理钢化和化学钢化玻璃内部应力分布图。物理钢化产品由于应力分布比较集中,造成物理钢化的玻璃钢化后不能进行切割、钻孔以及研磨抛光等加工,因此钢化前要将玻璃按照客户定制的尺寸要求进行加工,并且表面划伤、边部的敲击等容易造成钢化玻璃的迅速破碎,容易产生自爆问题,会伤及人体。由于物理钢化温度较高,玻璃容易产生变形的问题,因此无法在光学质量要求高的领域得到应用,常被应用于建筑玻璃、火车玻璃、家居用电子秤、玻璃餐桌和汽车用外部防护玻璃等,其使用寿命超过30年。

图3 钢化玻璃内部应力分布图

化学钢化玻璃的应力是因为置换离子与被置换离子半径不同而产生的,一般离子交换的深度只有十微米到几十微米,因此应力的大小分布相对比较均匀,常用于钢化3 mm以下的玻璃。经过化学钢化后的玻璃一般抗弯强度是未钢化前的3～5倍,抗冲击强度是未钢化前的5～10倍;产品具有无软化变形、无自爆现象、钢化后可再次进行切割等加工、不会产生光学畸变等优点,但与物理钢化玻璃相比,离子交换玻璃生产周期长,效率低(交换时间长达数小时),生产成本高(熔盐纯度要求高,不能循环利用),机械强度和抗冲击强度等物理性能易于消退(也称松驰),强度随使用时间衰减很快(寿命一般在3年以下)等缺点。化学钢化玻璃一般应用在手机屏、车载中控屏、笔记本或电脑显示屏等产品中。

综上所述,物理钢化和化学钢化作为常用的玻璃强化方法,它们在提高玻璃性能方面具有一定的优势。总体而言,物理钢化和化学钢化在加工厚度、玻璃破碎形态、表面应力值、抗冲击强度以及弯曲强度、光学性能、表面平整度和加工成本等方面存在一定差异。在实际应用中,应根据应用场景不同选择合适的强化方法。未来,随着科技的不断进步,玻璃在大家的日常生活中扮演着越来越重要的角色,相信还会有更多新型的玻璃强化技术问世,为我们的生活带来更多便利和安全。