盖板玻璃用高强度化学钢化玻璃的开发

马建强

摘要：化学钢化是通过离子交换形成玻璃的表面压应力。离子交换工艺的简单原理是在400LC左右碱盐溶液中，使玻璃表层中半径较小的离子与溶液中半径较大的离子交换，比如玻璃中的锂离子与溶液中的钠离子交换，玻璃中的钠离子与溶液中的钾离子交换，利用碱离子体积上的差别产生表层压应力。对厚玻璃的增强效果不甚明显，特别适合增2～4mm厚的玻璃。化学钢化玻璃的优点是，其未经转变温度以上的高温过程，所以不会像物理钢化玻璃那样存在翘曲，表面平整度与原片玻璃一样，同时在强度和耐温度变化有一定提高，并可适当作切裁处理。化学钢化的缺点是随时间易产生应力松弛现象，目前已有保护性工艺措施，使化学钢化玻璃具有其他强化玻璃品种不可替代的应用特点。

关键词：盖板玻璃;高强度;钢化玻璃;开发

中图分类号：TQ171   文献标识码：A   文章编号：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钢化原理。不利于玻璃力学性能的冈素包括：（1）玻璃原料引入的杂质;（2）玻璃内部存在的微不均匀区域;（3）玻璃内部存在微气孔和结石;（4）在生产、运输和储存过程中产生的表面缺陷Ho等。在超薄玻璃中，这些不利因素被放大，造成其实际强度并不高，还不到理沦强度的1%，而且玻璃的抗张强度相对来说更低，仅为其抗压强度的10%左右1。通过理论分析，发现只要使玻璃表面呈预压应力状态，就可阻止玻璃表面的裂纹受力扩展，这就是表面预加压应力增强法。化学钢化玻璃就是利用离子交换在表面产生“挤塞”效应来形成表面的压应力层，从而达到增强玻璃的效果冲一。

1.2离子交换机理。离子交换法通常可分为两种，高温型和低温型”J。（1）高温型离子交换。指离子交换温度在玻璃转变点温度以上，通常分为两种类型。挤压效应：用大半径离子置换玻璃中的小半径离子，使表面层体积增大，表面产生压应力而增强，和低温型离子交换原理类似，但是交换温度较高，在玻璃转换温度以上。膨胀差效应：利用离子交换在玻璃表面产生低膨胀系数的微晶，由于其膨胀系数比玻璃内部膨胀系数小，冷却后产生压应力，达到玻璃增强的要求，此法称表面结晶法，或称膨胀差法。具体实例是在玻璃的软化点与转变点之间的温度区域內，把含Na：O或K：O的玻璃浸入锂的熔盐中，使玻璃中的Na+与熔盐中比它们半径小的“+相互交换，然后冷却至室温，由于含Li+的表层与含Na+或K+内层膨胀系数不同，表面产生残余压应力而强化。

2 盖板玻璃用高强度化学钢化玻璃的开发

近年来，智能手机和平板PC等移动设备被越来越广泛的使用，这些设备的特点是显示器的表面都带有触摸传感器功能，钢化玻璃作为这个显示器表面的盖板材料一直被广泛使用，使用玻璃材料是因为其有着塑料表面没有的质感和抗刮性能等。如今移动设备也在追求轻量化，盖板玻璃为了满足要求也尽可能的做到更薄更轻，大多数使用的基板厚度都在lmm以下，而且还需要有一定的抗冲击性。为了提高强度，也广泛使用在表面施加压缩应力以防止裂纹的产生和扩大的钢化玻璃。在玻璃表面形成压缩应力的主要强化方法有：物理强化和化学强化。在进行物理强化的情况下，在2mm以下的超薄玻璃的表面和内部施加温度差是个难题，因此物理强化法并不适用于盖板玻璃。另一方面，化学强化法是将离子半径较大的碱离子和玻璃中的离子通过相互扩散进行交换从而形成应力，因此，即使是超薄玻璃也能够通过控制扩散时间来形成所需要的应力曲线，从而适用于盖板玻璃。钢化玻璃为了保持和表面的压缩应力层的平衡，在内部产生了拉应力。化学钢化玻璃的应力曲线如图1所示。由于玻璃很薄，产生刮痕和撞击的裂纹达到拉应力层时会很危险，这不仅仅需要考虑压缩应力层的强度和深度，也需要考虑到拉应力，从而更好地设计。越具有高表面应力和深应力层，强度就会越高从而提高耐久性。可是，如果形成过于高的内部拉应力的话，裂纹达到内部拉应力的时候，玻璃就会破碎，而碎片也很有可能造成危险。因此，需要设计一个适当的数值使拉应力刚好达到内部压力。

3 化学钢化盖板玻璃的强度设计

曲线，必须对强度具有很深的了解。通过对市场上破碎玻璃的分析，从而进行适用于盖板玻璃的化学钢化玻璃的开发。盖板玻璃从手中掉落到地面时产生冲击力导致破碎的情况是很常见的，不论是盖板玻璃的任何地方碰地面都会造成不同程度的破损。破损情况如表1所示。另外，研究各自的破損模式以及模拟破损实验，从而得到能够防止破片的参数。

①边缘表面和②边缘里面使用钟摆型的冲击仪能够再现破损模式。关于①边缘表面是通过将3mm的SUS气缸撞击边缘，从而形成和市场上的破损类似的模式。这种情况下由于通过接触赫兹应力而产生破损，可以看出对抗在表面产生的拉应力的压缩应力比在玻璃边缘表面强烈用力的情况下更难破损。②边缘里面是通过用040mm的SUS汽缸撞击边缘，能够形成和市场上的破损类似的起点以及破损模式。这种情况下由于通过接触赫兹应力而产生破损，可以看出对抗冲击产生的里面的拉应力的压缩应力比在玻璃边缘表面强烈用力的情况下更难破损。关于边缘破损能够通过控制适合物体的曲率半径来再现表面和里面的破损。也可以考虑比03ram更小的曲率半径。尖锐的物体的可能性，但是关于这点还需要进一步的评定。③面表破损由于是复数的破损模式所以比较复杂。通过冲击物体碰撞表面从而产生裂纹的情况成为破损的起点。裂纹的长度停留在应力层内的情况下，将裂纹进一步伸展的拉应力不产生在表面的话也不会有破损，穿过应力层到达内部的拉应力层，由于拉应力进一步延伸导致玻璃被分裂破碎。裂纹产生的关键是冲击物的角度和锐角，再加上裂纹产生的阈值低的话，就很容易造成致命伤。我们调查了作为在地面的锐角物体在路上经常有的沙石的角度分布，从而发现尖头部分110。附近是高峰角度分布区。由于这个接近30的砂纸的角度分布，因此在玻璃上放置30的砂纸，从上方坠落120g钢球给予一定的冲击来进行玻璃破坏强度的比较。结果发现内部拉应力小的一方对破损具有更高的抗性。即使产生的裂纹停留在应力层也能够抑制破损，在市场上产生的裂纹穿过应力层的情况比较多，而在内部拉应力有上限的盖板玻璃的用途方面，要想形成非常深的应力层是有难度的。④面里的里面破损是冲击表面外部的物体不尖锐，例如被球状的物体冲击时，在表面不会受到强大的破坏反而是在里面产生强大的拉应力从而破损。这个也可以通过落球实验模拟出来。由于产生面里破损需要很大的能量所以实际上这种模式很难发生。

4 结论

随着电子行业的迅猛发展，对厚度小于1mm的超薄玻璃的需求量迅速增大，被广泛运用于手机、DVD面板、平板显示器等。但是超薄化带来的力学强度的降低又极大地阻碍了其在实际生产中的应用。化学钢化能显著提高超薄玻璃的力学性能，因此开展超薄玻璃化学钢化的研究具有重要的理论和实际意义。

参考文献：

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