超薄盖板玻璃的化学增强研究

曹 欣，周 喆，石丽芬1，，仲召进1,，高 强1,

(1.浮法玻璃新技术国家重点实验室,蚌埠 233000；2.中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司，蚌埠 233000；3.大连交通大学材料科学与工程学院，大连 116000)

盖板玻璃是电子产品显示面板的重要组成部分，对显示面板起到支撑保护的作用，保证显示面板受到摩擦、刻划等操作时仍不影响其显示效果，避免出现破损和表面划伤的情况。随着高科技产业的不断发展，“厚度薄，重量轻，强度高”的盖板玻璃成为发展趋势。但盖板玻璃的超薄化必然会放大缺陷对玻璃体强度的不利影响，导致盖板玻璃力学性能的降低[1,2]。因此，实现超薄盖板玻璃的高强化变得尤为重要。化学强化是增强玻璃的重要途径之一，其作用机理[3,4]是基于玻璃表面离子的迁移和扩散特性，通过玻璃中小半径的碱金属离子与熔盐中大半径的碱金属离子进行置换，在玻璃表面产生挤塞效应，使玻璃表面呈预压应力状态，以防止玻璃表面裂纹受力扩展，从而达到增强的效果，同时提高玻璃的显微硬度、耐磨性、热稳定性和化学稳定性，降低玻璃表面的脆性。因此该项目主要采用化学强化法，研究硝酸钾混合熔盐强化工艺对超薄盖板玻璃表面化学强化后性能的影响，以实现高效强化。

1 实 验

1.1 样品制备

实验中的玻璃基片为0.55 mm超薄盖板玻璃，其化学组成见表1。化学强化用混合熔盐成分为：硝酸钾∶氧化铝∶硅藻土=100∶0.5∶2.5(质量比)，原料均为分析纯。将超薄盖板玻璃进行切裁磨边，同不锈钢容器一起进行超声波清洗，在电热鼓风干燥箱中100 ℃干燥；将清洗好的玻璃基片进行350 ℃预热，装有混合熔盐的不锈钢容器置于精密控温炉内，按设定好的程序进行升温；待温度升至420～480 ℃并保温2 h后，将盖板玻璃浸没于熔盐中进行化学强化，炉腔温度波动在±1 ℃内；化学强化时间2～6 h，将盖板玻璃从熔盐中取出，冷却后用蒸馏水洗去玻璃表面残留的熔盐，最终获得高强超薄玻璃盖板。

1.2 性能测试

该文主要以表面压应力、应力层深度及表面的维氏显微硬度来表征高碱铝硅酸盐玻璃化学强化后表面性能的变化。

采用日本折原制所FSM-6000LE全自动表面应力测定仪测试超薄盖板玻璃表面增强后的表面压应力(CS)和应力层深度(DOL)；表面应力测量范围：0～1 000 MPa，精度：±20 MPa；应力层深度测量范围：0～200 μm，光源：FSM-LED590，电源：AC(220±5) V，5 A。通过让光沿着玻璃表面传播，根据光弹性技术测出玻璃上下表面的压应力以及应力层深度。采用日本岛津HMV-G21DT自动显微硬度计测试样品的维氏显微硬度(HV)。试验载荷98.07 mN～19.61 N，保载时间：5～999 s。测试样品尺寸为50×30×0.55 mm的片状，试验载荷0.98 N，保载时间10 s，取5个样品的平均值为测试结果。

2 结果与讨论

2.1 化学增强对超薄盖板玻璃表面压应力的影响

超薄盖板玻璃表面压应力随化学强化条件的变化趋势如图1所示。

图1结果表明，交换时间为2 h时，表面压应力在440 ℃时出现了最大值772.09 MPa，后又逐渐减小至461.24 MPa。当强化时间延长至4 h和6 h时，在420 ℃时出现了表面压应力最大值分别为763.56 MPa和778.38 MPa。这是因为高温比低温给予的活化能多，离子交换速率增加，增加离子交换量，形成具有较大压应力的表面层。但温度越高，应力松弛也就越严重，致使表面压应力下降[5]。同时，随着强化时间的延长，玻璃表面压应力极大值对应的强化温度趋向于低温区。结合生产效率和成本的考虑，优选440 ℃，2 h为超薄盖板玻璃的强化工艺。

2.2 化学增强对超薄盖板玻璃应力层深度的影响

超薄高碱铝硅酸盐玻璃应力层深度随化学强化条件的变化情况如图2所示。

图2表明在相同的化学强化时间下，应力层深度随强化温度的升高几乎呈匀速增加，应力层深度最大值为109.47 μm。这是因为温度的升高，一方面增加了扩散的活化能，推动了K+—Na+离子的交换；另一方面加速了扩散通道的打开，有利于熔盐中的K+扩散，形成更厚的应力层。而在相同的强化温度下，应力层深度随强化时间的延长而增加。这是由于在离子交换初期，熔盐中的K+—Na+浓度梯度大，交换动力足，应力层加深很快；随着时间的延长，玻璃中更多的Na+进入熔盐中，缩小了K+—Na+浓度差，致使交换速度减缓，表面应力层深度增加幅度变小[6]。

2.3 化学增强对超薄盖板玻璃的维氏显微硬度的影响

超薄盖板玻璃表面增强后的维氏显微硬度随化学强化条件的变化情况如图3所示。

化学强化是利用熔盐中体积较大的K+取代玻璃表面体积较小的Na+，在玻璃表层的K+与周围环境形成“挤塞效应”，宏观上表现为均匀的压应力。玻璃表面化学强化后的表面压应力和应力层深度会严重影响玻璃表面的维氏显微硬度。玻璃表面的维氏显微硬度值受到表面压应力、应力层深度和结构松弛的共同作用。

由图3可看出，当离子交换时间较短时(2 h)，玻璃的维氏显微硬度和表面压应力有相同的变化趋势，随着温度的升高CS或HV都先增大后减小。温度的升高加大了玻璃表面K+的挤塞效应，玻璃的维氏显微硬度增大；温度继续增大，玻璃表面在较高的温度下开始发生结构松弛，表面压应力增速放缓，出现表面压应力的最大值，此时结构松弛还较小，玻璃的维氏显微硬度随应力层深度的增加而继续增大；当温度升高到480 ℃时，结构松弛造成玻璃表面硬度迅速减小。当离子交换时间为4 h或6 h时，由于离子交换时间过长，玻璃在结构松弛的影响下表面压应力随温度增大持续降低，玻璃的维氏显微硬度与表面压应力有近似的变化趋势，也随温度的升高逐渐减小[7]。

4 结 论

a.表面压应力随化学强化温度和时间的变化规律为：2 h时，表面压应力随温度的升高先增加后减小；4 h和6 h时，表面压应力随温度的升高而减小。

b.应力层深度随化学强化温度和时间的变化规律为：应力层深度随温度的升高而增加，随时间的延长而增加。

c.强化时间2 h，玻璃表面的维氏显微硬度和表面压应力有相同的变化趋势，随着温度的升高CS或HV都先增大后减小。当离子交换时间为4 h或6 h时，在结构松弛的影响下玻璃的维氏显微硬度与表面压应力变化规律相似，也随温度的升高逐渐减小。

d.综合表面压应力、应力层深度与维氏显微硬度的考量，文中超薄盖板玻璃的最佳表面增强工艺条件为440 ℃、2 h，表面增强后的超薄盖板玻璃表面压应力为772.09 MPa，应力层深度为41.38 μm，维氏显微硬度为669.5 MPa，满足工业化生产的要求。