蓋板玻璃用高強度化學鋼化玻璃的開發

馬建強

摘要：化學鋼化是通過離子交換形成玻璃的表面壓應力。離子交換工藝的簡單原理是在400LC左右堿鹽溶液中，使玻璃表層中半徑較小的離子與溶液中半徑較大的離子交換，比如玻璃中的鋰離子與溶液中的鈉離子交換，玻璃中的鈉離子與溶液中的鉀離子交換，利用堿離子體積上的差別產生表層壓應力。對厚玻璃的增強效果不甚明顯，特別適合增2～4mm厚的玻璃?；瘜W鋼化玻璃的優點是，其未經轉變溫度以上的高溫過程，所以不會像物理鋼化玻璃那樣存在翹曲，表面平整度與原片玻璃一樣，同時在強度和耐溫度變化有一定提高，并可適當作切裁處理?；瘜W鋼化的缺點是隨時間易產生應力松弛現象，目前已有保護性工藝措施，使化學鋼化玻璃具有其他強化玻璃品種不可替代的應用特點。

關鍵詞：蓋板玻璃;高強度;鋼化玻璃;開發

中圖分類號：TQ171 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-9129（2018）15-0075-01

Abstract： chemical steelening is the surface compressive stress of glass formed by ion exchange. The simple principle of ion exchange process is that in about 400 LC alkaline salt solution， ions with smaller radius in glass surface are exchanged with ions with larger radius in solution. For example， lithium ions in glass and sodium ions in solution， sodium ions in glass and potassium ions in solution exchange， using the difference in the volume of alkali ions to produce surface compressive stress. The enhancement effect on thick glass is not obvious. Specially suitable for increasing glass by 2 to 4 mm thick. The advantage of chemical tempered glass is that it has a high temperature process above the unconverted temperature， so it will not be warped like physical tempered glass， and the surface flatness is the same as that of the original glass. At the same time， the strength and temperature resistance can be improved， and it can be used as a cutting treatment. The disadvantage of chemical steelening is that it is prone to stress relaxation over time. At present， protective technological measures have been adopted to make chemical steeled glass have the irreplaceable application characteristics of other strengthened glass varieties.

Keywords： cover glass; High intensity; Steel glass; develop

1 基本原理

1.1鋼化原理。不利于玻璃力學性能的岡素包括：（1）玻璃原料引入的雜質;（2）玻璃內部存在的微不均勻區域;（3）玻璃內部存在微氣孔和結石;（4）在生產、運輸和儲存過程中產生的表面缺陷Ho等。在超薄玻璃中，這些不利因素被放大，造成其實際強度并不高，還不到理淪強度的1%，而且玻璃的抗張強度相對來說更低，僅為其抗壓強度的10%左右1。通過理論分析，發現只要使玻璃表面呈預壓應力狀態，就可阻止玻璃表面的裂紋受力擴展，這就是表面預加壓應力增強法。化學鋼化玻璃就是利用離子交換在表面產生“擠塞”效應來形成表面的壓應力層，從而達到增強玻璃的效果沖一。

1.2離子交換機理。離子交換法通常可分為兩種，高溫型和低溫型”J。（1）高溫型離子交換。指離子交換溫度在玻璃轉變點溫度以上，通常分為兩種類型。擠壓效應：用大半徑離子置換玻璃中的小半徑離子，使表面層體積增大，表面產生壓應力而增強，和低溫型離子交換原理類似，但是交換溫度較高，在玻璃轉換溫度以上。膨脹差效應：利用離子交換在玻璃表面產生低膨脹系數的微晶，由于其膨脹系數比玻璃內部膨脹系數小，冷卻后產生壓應力，達到玻璃增強的要求，此法稱表面結晶法，或稱膨脹差法。具體實例是在玻璃的軟化點與轉變點之間的溫度區域內，把含Na：O或K：O的玻璃浸入鋰的熔鹽中，使玻璃中的Na+與熔鹽中比它們半徑小的“+相互交換，然后冷卻至室溫，由于含Li+的表層與含Na+或K+內層膨脹系數不同，表面產生殘余壓應力而強化。

2 蓋板玻璃用高強度化學鋼化玻璃的開發

近年來，智能手機和平板PC等移動設備被越來越廣泛的使用，這些設備的特點是顯示器的表面都帶有觸摸傳感器功能，鋼化玻璃作為這個顯示器表面的蓋板材料一直被廣泛使用，使用玻璃材料是因為其有著塑料表面沒有的質感和抗刮性能等。如今移動設備也在追求輕量化，蓋板玻璃為了滿足要求也盡可能的做到更薄更輕，大多數使用的基板厚度都在lmm以下，而且還需要有一定的抗沖擊性。為了提高強度，也廣泛使用在表面施加壓縮應力以防止裂紋的產生和擴大的鋼化玻璃。在玻璃表面形成壓縮應力的主要強化方法有：物理強化和化學強化。在進行物理強化的情況下，在2mm以下的超薄玻璃的表面和內部施加溫度差是個難題，因此物理強化法并不適用于蓋板玻璃。另一方面，化學強化法是將離子半徑較大的堿離子和玻璃中的離子通過相互擴散進行交換從而形成應力，因此，即使是超薄玻璃也能夠通過控制擴散時間來形成所需要的應力曲線，從而適用于蓋板玻璃。鋼化玻璃為了保持和表面的壓縮應力層的平衡，在內部產生了拉應力?；瘜W鋼化玻璃的應力曲線如圖1所示。由于玻璃很薄，產生刮痕和撞擊的裂紋達到拉應力層時會很危險，這不僅僅需要考慮壓縮應力層的強度和深度，也需要考慮到拉應力，從而更好地設計。越具有高表面應力和深應力層，強度就會越高從而提高耐久性。可是，如果形成過于高的內部拉應力的話，裂紋達到內部拉應力的時候，玻璃就會破碎，而碎片也很有可能造成危險。因此，需要設計一個適當的數值使拉應力剛好達到內部壓力。

3 化學鋼化蓋板玻璃的強度設計

曲線，必須對強度具有很深的了解。通過對市場上破碎玻璃的分析，從而進行適用于蓋板玻璃的化學鋼化玻璃的開發。蓋板玻璃從手中掉落到地面時產生沖擊力導致破碎的情況是很常見的，不論是蓋板玻璃的任何地方碰地面都會造成不同程度的破損。破損情況如表1所示。另外，研究各自的破損模式以及模擬破損實驗，從而得到能夠防止破片的參數。

①邊緣表面和②邊緣里面使用鐘擺型的沖擊儀能夠再現破損模式。關于①邊緣表面是通過將3mm的SUS氣缸撞擊邊緣，從而形成和市場上的破損類似的模式。這種情況下由于通過接觸赫茲應力而產生破損，可以看出對抗在表面產生的拉應力的壓縮應力比在玻璃邊緣表面強烈用力的情況下更難破損。②邊緣里面是通過用040mm的SUS汽缸撞擊邊緣，能夠形成和市場上的破損類似的起點以及破損模式。這種情況下由于通過接觸赫茲應力而產生破損，可以看出對抗沖擊產生的里面的拉應力的壓縮應力比在玻璃邊緣表面強烈用力的情況下更難破損。關于邊緣破損能夠通過控制適合物體的曲率半徑來再現表面和里面的破損。也可以考慮比03ram更小的曲率半徑。尖銳的物體的可能性，但是關于這點還需要進一步的評定。③面表破損由于是復數的破損模式所以比較復雜。通過沖擊物體碰撞表面從而產生裂紋的情況成為破損的起點。裂紋的長度停留在應力層內的情況下，將裂紋進一步伸展的拉應力不產生在表面的話也不會有破損，穿過應力層到達內部的拉應力層，由于拉應力進一步延伸導致玻璃被分裂破碎。裂紋產生的關鍵是沖擊物的角度和銳角，再加上裂紋產生的閾值低的話，就很容易造成致命傷。我們調查了作為在地面的銳角物體在路上經常有的沙石的角度分布，從而發現尖頭部分110。附近是高峰角度分布區。由于這個接近30的砂紙的角度分布，因此在玻璃上放置30的砂紙，從上方墜落120g鋼球給予一定的沖擊來進行玻璃破壞強度的比較。結果發現內部拉應力小的一方對破損具有更高的抗性。即使產生的裂紋停留在應力層也能夠抑制破損，在市場上產生的裂紋穿過應力層的情況比較多，而在內部拉應力有上限的蓋板玻璃的用途方面，要想形成非常深的應力層是有難度的。④面里的里面破損是沖擊表面外部的物體不尖銳，例如被球狀的物體沖擊時，在表面不會受到強大的破壞反而是在里面產生強大的拉應力從而破損。這個也可以通過落球實驗模擬出來。由于產生面里破損需要很大的能量所以實際上這種模式很難發生。

4 結論

隨著電子行業的迅猛發展，對厚度小于1mm的超薄玻璃的需求量迅速增大，被廣泛運用于手機、DVD面板、平板顯示器等。但是超薄化帶來的力學強度的降低又極大地阻礙了其在實際生產中的應用?；瘜W鋼化能顯著提高超薄玻璃的力學性能，因此開展超薄玻璃化學鋼化的研究具有重要的理論和實際意義。

參考文獻：

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