高強(qiáng)度超薄玻璃波紋板的制備及化學(xué)增強(qiáng)

引言厚度在0.1～1.1mm的玻璃定義為超薄玻璃，超薄玻璃本身具有質(zhì)輕、透光度高、柔韌度好等優(yōu)點(diǎn)，在電氣電子、生物技術(shù)等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)增強(qiáng)是超薄玻璃強(qiáng)化的主要途徑，可以有效提高玻璃的抗沖擊性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，降低玻璃表面的脆性。超薄玻璃波紋板由于是多曲面彎曲，其制備難度較大，且強(qiáng)度較低。本文通過熱彎工藝和化學(xué)增強(qiáng)工藝制備了一種多彎曲曲面的高強(qiáng)度超薄玻璃波紋板，對(duì)其制備過程及性能進(jìn)行了分析。熱彎模具的選擇玻璃所使用的成型模具在玻璃熱彎成型過程中起著重要的作用，熱彎模具的種類主要分為三種：實(shí)心模、條框模、空心模。實(shí)心模具由于制作成本高，制作周期長，在熱彎燒制過程中，模具吸熱多，造成升溫慢，且容易造成玻璃表面出現(xiàn)麻點(diǎn)等缺陷，因此為了提高生產(chǎn)效率，降低能耗，開發(fā)了圖1所示的空心模具。圖1玻璃波紋板空心模具熱彎工藝的選擇本文以1.1mm厚鈉鈣硅玻璃為例，采用28區(qū)連續(xù)熱彎爐制備超薄玻璃波紋板，熱彎爐爐體全長分為28個(gè)區(qū)，1區(qū)為上片區(qū)，2～5區(qū)為預(yù)熱區(qū)，6～7為預(yù)成型區(qū)，8～9為成型區(qū)，10～14為熱退火區(qū)，15～20為保溫退火區(qū)，21～24為自然冷卻區(qū)，25～28為外界交換自然冷卻區(qū)。熱彎工藝如表1所示。表1熱彎過程溫度控制波紋板的化學(xué)增強(qiáng)由于玻璃中存在微裂紋和不均勻區(qū)，當(dāng)玻璃受到應(yīng)力作用時(shí)，表面的微裂紋急劇擴(kuò)展，裂紋尖端應(yīng)力集中，以致玻璃破裂。超薄玻璃本身耐沖擊性能就差，多曲面熱彎加工后，其耐沖擊性能會(huì)更低，因此必須采取相應(yīng)措施來提高玻璃波紋板的強(qiáng)度。目前超薄玻璃的增強(qiáng)技術(shù)主要是化學(xué)鋼化，化學(xué)鋼化是在一定溫度下熔鹽與玻璃本體中的堿金屬離子發(fā)生相互置換，大半徑離子進(jìn)入玻璃表面，產(chǎn)生擠塞現(xiàn)象而在表面形成壓應(yīng)力，阻止表面微裂紋受力擴(kuò)展，從而提高玻璃機(jī)械強(qiáng)度。目前化學(xué)鋼化技術(shù)分高溫型和低溫型兩種，其中低溫型離子交換更具備工業(yè)化應(yīng)用的條件，交換溫度一般為420～480℃。本文研究了不同交換溫度和交換時(shí)間對(duì)超薄玻璃強(qiáng)度的影響，如圖2所示。圖2交換時(shí)間、溫度與交換強(qiáng)度的關(guān)系曲線由圖2可見，420℃時(shí)，交換強(qiáng)度隨交換時(shí)間的延長呈現(xiàn)上升趨勢，48h時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后玻璃強(qiáng)度降低，強(qiáng)度達(dá)到最大值的時(shí)間比較長且維持時(shí)間較短；480℃條件下，整體交換強(qiáng)度比較低，滿足不了對(duì)強(qiáng)度的要求；450℃條件下進(jìn)行交換，交換強(qiáng)度在三條曲線中最高，強(qiáng)度的分散性也很理想。而且12～48h之間交換強(qiáng)度變化不大，穩(wěn)定性好。由此可見，450℃是比較理想的交換溫度。玻璃表面預(yù)壓應(yīng)力的存在能有效抑制微裂紋的擴(kuò)展，但是該抑制作用不僅與玻璃表面應(yīng)力值有關(guān)，還與應(yīng)力層深度有直接的關(guān)系。如果應(yīng)力層深度很淺，微裂紋擴(kuò)展一旦穿透應(yīng)力層深度，就將直接導(dǎo)致玻璃破裂。因此，玻璃增強(qiáng)過程中，不但要提高表面應(yīng)力值，還應(yīng)提供較深的應(yīng)力層深度。應(yīng)力層深度以玻璃斷面上K+離子的擴(kuò)散深度來表示，交換時(shí)間越長，應(yīng)力層深度越厚。根據(jù)以往研究一般的交換時(shí)間最好在12h以上，因此，確定了超薄玻璃的化學(xué)鋼化工藝參數(shù)為：450℃下交換16h。在450℃交換16h工藝制度下，加工一組5塊規(guī)格為1.1mm×150mm×200mm的玻璃樣品，每塊樣品分別取三個(gè)點(diǎn)對(duì)玻璃非錫面的表面壓應(yīng)力值進(jìn)行測定，三個(gè)點(diǎn)的位置盡量保持一致。表面應(yīng)力值的測量結(jié)果如表2所示。表2化學(xué)鋼化玻璃表面壓應(yīng)力測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)從表2可以看出，5個(gè)樣品的強(qiáng)度差別不大，且每一片應(yīng)力分布均勻，都達(dá)到560MPa以上。通過電子探針對(duì)450℃下交換16h的化學(xué)鋼化玻璃樣品的交換層深度進(jìn)行了測量。由于1.1mm玻璃制樣困難，應(yīng)力層深度與玻璃厚度關(guān)系不大，所以試驗(yàn)在3mm玻璃上完成。首先測試樣品中心點(diǎn)的K+含量約為1.66%，表面K+離子的濃度約33.49%。沿深度方向每隔3mm測一點(diǎn)，如果K+的含量與中點(diǎn)K+含量接近，停止測試，該點(diǎn)的深度定義為K+擴(kuò)散的最大深度，即交換層厚度。檢測深度超過20mm后，K+濃度逐漸趨向于一個(gè)穩(wěn)定的值，說明450℃交換16hK+的擴(kuò)散深度為20～30mm。結(jié)語隨著超薄玻璃的廣泛應(yīng)用，未來曲面異形、高強(qiáng)度、多功能化是其主流發(fā)展方向。采