超薄玻璃的制备工艺设计

1、-超薄玻璃的制备工艺学生：王鑫林学生*： 9 院系：材料工程学院年级专业：2021材料科学与工程3班指导教师：亮副教授目录0 引言31 超薄玻璃原片的制备方法311 浮法312 溢流下拉法313 垂直引上法32 超薄玻璃原片的钢化321 物理钢化 (PhysicalStrengthening)322 化学钢化 (ChemicalStrengthening)3221 离子交换的温度和时间3222 添加剂3223 玻璃外表损伤323 层压法 (Laminating)33 最新开展现状一柔性玻璃34 结语3参考文献：3超薄玻璃的制备工艺摘要：随着平板技术的飞速开展，世界市场对超薄玻璃的需求巨大。超薄

2、玻璃原片的制备方法主要有浮法、溢流下拉法和垂直引上法等，本文分别介绍了各制备方法的工艺过程、特点和开展现状。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。最后详细阐述了最新超薄玻璃一柔性玻璃的研究、应用的最新进展。关键词：超薄玻璃、化学钢化、力学性能、柔性玻璃0 引言当今世界玻璃制造商们在开发玻璃新技术方面,均向节能、环保、信息、生物等领域开展1。随着世界高科技产业的不断开展,国际市场对超薄玻璃的需求正日益上升,尤其是平板显示器和手机用超薄玻璃基板。Display Search公司预测,未来市场对平板显示器用超薄玻璃基片的需求平均每年将以20%的

3、速度增长。平板显示器要求重量轻、体积小、便于携带,这使得超薄玻璃成为不可缺少的基片材料。所谓超薄玻璃是相对普通平板玻璃厚度而言的,一般厚度在3 mm以下为薄玻璃,而厚度在1. 5 mm以下称之为超薄玻璃。厚度小于 05mm 的超薄玻璃具有良好的挠性；而厚度小于 01mm的超薄玻璃具有可弯曲性能，又可称为柔性玻璃。然而超薄化也带来了显而易见的弊端,那就是力学强度的降低。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。比方:一个小小的裂纹或缺陷对于普通厚度的玻璃来说只是外表上一个微缺乏道的瑕疵,但相对于超薄玻璃来说,同样大小的裂纹却可能已经深入玻璃部,对其强度造成无

4、法无视的破坏。这直接造成了超薄玻璃在抗折强度、外表硬度等力学性能指标上明显落后于普通的平板玻璃,这给超薄玻璃的实际应用带来了巨大的阻碍。从上世纪60年代Kistler开场,通过不懈的研究人们发现通过化学钢化(即离子交换)的方法,超薄玻璃的力学性能可以得到质的提高。经过化学钢化后的超薄玻璃在: (1)电子信息产业平板显示器用基板玻璃;(2)钟表蒙面玻璃、仪器及汽车仪表玻璃、工业相象全息制版玻璃、照相机盖板玻璃; (3)太阳能发电用基板玻璃、太阳能电池保护罩板玻璃; (4)复印机、 机及各类编码器用玻璃; (5)显微镜、医用玻璃; (6)工业材料配合料用鳞片玻璃等六大工业领域具有非凡的经济、科研价

5、值。本文综述了超薄玻璃化学钢化的原理、影响因素、研究进展以及一系列可实用的加速离子交换速度的方法。1 超薄玻璃原片的制备方法超薄玻璃原片的制备方法主要浮法、溢流下拉法、垂直引上法和铂金炉下拉法等。浮法、溢流法和垂直引上法是目前生产超薄玻璃的主要方法，可以制备 032mm厚度的超薄玻璃。11 浮法浮法生产超薄玻璃工艺的原理与普通的浮法生产工艺原理根本一致，但是超薄浮法对工艺控制和装备要求高，生产难度大。要获得超薄玻璃，需要根据玻璃液的外表力、黏度和重力等参数，增加拉边机数量、设置牵引机，通过准确控制拉边机、牵引机的工艺参数，借助于拉边机和牵引机对玻璃液施加的作用力，来抑制玻璃液重力和外表力的作用

6、，制备超薄浮法玻璃23。2021年，中国洛玻集团研制出厚度为 033mm的超薄玻璃，中国玻璃工业设计研究院研制出厚度为 03mm 的超薄玻璃，解决了制约 03Flim超薄玻璃产品的微观波纹度、板面翘曲等关键技术难题，实现了连续稳定生产。12 溢流下拉法溢流下拉法是美国康宁公司创造的生产超薄玻璃的方法。此方法一般可拉制出 0510mm 的超薄玻璃。该工艺最大的优点是适用于多种玻璃组分，而且玻璃具有良好外表质量4。但是产量小、板宽窄，受溢流槽的尺寸所限，板宽通常缺乏浮法玻璃板宽的一半。13 垂直引上法在原料优选、工艺制度稳定及配有专用拉薄引上机的前提下，可采用垂直引上法拉制出厚度在 20mm以下的

7、薄玻璃，广泛用于高档制镜、医用、仪表及电子工业的显示器基板等，德国霍恩 (HORN)公司用此方法成功拉制出 0520mm 的薄玻璃。垂直引上法生产的薄玻璃品种多，占地面积小，易控制，但是生产出的玻璃平整度比较差，波筋、线道等缺陷很难防止，因此垂直引上法的优质成品率比较低。2 超薄玻璃原片的钢化超薄玻璃因其具有良好的平整度、光学性能、耐热稳定性等特性，广泛使用在电子产品领域。但是也存在着机械强度低、易碎等缺陷，这在很大程度上制约了其应用与开展5。超薄玻璃之所以机械强度低，原因在于超薄玻璃外表和部存在大量微裂纹，在外力与环境介质的作用下极易发生裂纹扩展，从而使玻璃遭到破坏。为了抑制这个弱点，可对玻

8、璃进展钢化提高强度。钢化玻璃亦称预应力玻璃，就是利用在玻璃的外表形成压应力层，部产生应力，即玻璃产生了一种均匀而规律分布的应力，从而提高玻璃的抗冲击强度和稳定性。目前，超薄玻璃的钢化方法主要有物理钢化、化学钢化和层压法6。21 物理钢化 (PhysicalStrengthening)物理钢化的原理是通过加热介质对玻璃进展加热，加热到玻璃的转变温度与玻璃的软化温度之间的*个温度后(对于普通的钠钙玻璃来说，约为 65O700)，在冷却介质中迅速冷却，由于玻璃外表比玻璃部冷却的快，玻璃外表粘度增加，急剧收缩而产生压应力，玻璃形成应力，使玻璃获得较高的强度。一般来说冷却强度越高，则玻璃强越大。根据冷却

9、介质的不同，物理钢化法分为气体钢化法、液体钢化法、微粒钢化法。气体钢化法，一般用空气作为气体介质，用于钢化较厚的玻璃，难以实现 2mm 以下玻璃的钢化。液体钢化法是用液体作为冷却介质对玻璃进展淬火的方法。冷却介质一般为熔盐、矿物油等，适合钢化面积不大的厚度为 2530mm 薄玻璃制品。微粒钢化法是将玻璃加热到接近软化温度后，一般采用粒度小于 200 m 的氧化铝微粒对玻璃进展冷却的方法。微粒钢化冷却介质的冷却能大，适合钢化超薄玻璃，但产品的均匀性难以控制。平板玻璃经物理钢化后不能切割、钻孔以及研磨抛光，钢化前要将平板玻璃按照形状及尺寸的要求进展机械加工。物理钢化法是通过降温阶段玻璃外层温度差产

10、生的应力提高强度，不太适合生产较薄的玻璃，而且可能会有自爆问题，会伤及人体。22 化学钢化 (ChemicalStrengthening)化学钢化法是根据离子扩散的机理来改变玻璃外表的化学组成，即在一定温度下，把含有小半径碱金属离子的玻璃沉浸在含有大半径碱金属离子的熔盐中，在化学位梯度的推动下，玻璃中的小半径碱金属离子与熔盐中的大半径碱金属离子互相交换，产生互扩散过程，扩散到玻璃外表的大离子占据了玻璃亚外表层中小离子的位置，使得玻璃外表体积膨胀产生“挤塞现象，导致玻璃外表上产生了很大应力的压应力层，有效消除微裂纹或抑制微裂纹的扩展，显著提高玻璃的强度。离子交换的效果直接影响着玻璃的弯曲强度、耐

11、热冲击性能、外表压力值、压应力层的厚度和抗冲击性能等。而影响离子交换效果的主要因素主要有：离子交换的温度和时间、添加剂、玻璃外表损伤等。221 离子交换的温度和时间温度是影响离子交换的一个重要因素，温度升高给予离子更多的活化能，玻璃部发生应力弛豫而且有利于扩散的进展，增加玻璃的强度。但是温度过高会导致构造松弛，“挤塞效应降低，玻璃强度降低。玻璃离子交换获得外表压应力的过程，是以一定的离子交换速率产生外表压应力和玻璃网络构造的调整产生热松弛损失应力的矛盾过程。交换时间对外表应力的影响分三个阶段：交换初期，应力值随交换时问的延长而增加；随交换时间延长，因交换而产生的应力增加与应力松弛造成的应力降低

12、到达平衡，变化趋于稳定；接下来应力随时间的再延长而降低。在一定温度下，在应力一时间曲线上总是出现应力极大值，所对应的时间为最正确交换时间。222 添加剂在熔盐中参加添加剂可起到加速离子交换和改善玻璃外表质量的作用。对于硝酸钾熔盐来说，通常用KOH、K。CO。、KF等作为添加剂。这些添加剂可以使离子交换的时间由十几小时缩短到几小时甚至几十分钟，其中 KOH 的效果最好。研究说明，在交换熔盐中参加少量的 KOH，对缩短交换时间和提高玻璃的强度都有明显的效果，但是 KOH 的含量到达 1 时就会使玻璃外表受到严重侵蚀，甚至产生裂纹，造成强度显著下降。223 玻璃外表损伤对于化学钢化玻璃，外表损伤对强

13、度的影响更为突出，通常化学钢化玻璃的压应力厚度只有几十微米，哪怕是任何轻微的损伤，强度衰减都非常严重。当玻璃外表损伤超过压应力层厚度时，实际上增强的效果已不复存在。总之，化学钢化后的玻璃外表压应力大且均匀，因而强度更高、热稳定性好，玻璃外表平整光滑并且玻璃不易发生光学畸变及物理变形，对玻璃的形状尺寸没有任何要求，经离子交换后的玻璃可以切割、钻孔等冷加工处理且无自爆现象，成品率高。与物理钢化法相比，化学钢化法更适合于钢化特薄 (厚度小于 1mm)、厚薄不均、要求精度高的玻璃。23 层压法 (Laminating)层压法是在相对高的温度下在玻璃外表覆盖另一层玻璃。所层压的玻璃应具有比层玻璃低的热膨

14、胀系数。层压法的原理与上面一样：当快速冷却的时候，层玻璃处于拉应力状态，所层压的玻璃处于压应力状态。层压法还可用具有较低氏模量的保护膜覆盖在玻璃外表，例如聚合物薄膜。这种方法的机理就是减小外表裂纹。当外表保护膜受到外加作用力时，低氏模量的薄膜吸收作用力并阻止玻璃里面新裂纹的产生，从而到达增加玻璃强度的目的6。3 最新开展现状一柔性玻璃柔性基板假设用于显示器基板，有助于开发出具有真实感的曲面显示器，用于封装有机电致发光面板等元器件，可保护元器件不受水分和氧的侵蚀，因而受到人们的广泛关注。柔性基板按化学组成分为聚合物柔性基板和玻璃柔性基板。聚合物柔性基板具有本钱低、柔性好、不易碎等优点，但存在可见

15、光透过率低、不耐高温、热稳定性差、易于老化等一系列缺点，限制了其应用，特别是不能应用于显示器基板；玻璃耐高温，同时具有可见光透过率高、热稳定好、外表光滑、化学性质稳定等优点，缺点是柔性差易碎，如果玻璃具有柔性，则玻璃就是理想的柔性基板了7。目前，显示器产业正处于转折点，从以往的大尺寸向薄型轻量化以及能实现柔性等的转变，柔性玻璃显示器受到了人们的青睐。柔性玻璃是指厚度小于 01mm 的超薄平板并且可以弯曲的玻璃。康宁公司采用了熔融溢流下拉和高温滚压技术制备出厚度仅仅为 01mm 的柔性玻璃一W illow glass，通过化学钢化处理，获得很高的强度和很强的可弯曲性，还兼具轻便、本钱低、可承受高

16、达 500。C高温等特性8。日本旭硝子电子公司采用浮法玻璃生产工艺，成功生产出厚度仅为 01mm的无碱超薄柔性玻璃。还通过溢流法成功制备出厚度为005mm、宽度为 8O0mm、长度超过 100m 的卷状超薄柔性玻璃，非常适合用于 AMOLED显示屏。目前国也有一些研究者在从事柔性玻璃的研究。智广林9等人采用二次熔融拉薄法拉制出平整度较好的厚度仅为 00302mm、宽度为 202000mm、长度大于 5m 的具有良好挠性的柔性玻璃。万青10。等人采用两种方法制备柔性玻璃，一种是采用化学气相沉积技术在低熔点的锡液上制备一层 Si3N4薄膜和一层 SiO2薄膜，抽取Si3N4/ SiO2层进展抛光，

17、然后除去 Si3N4层即可得到柔性超薄玻璃；另一种是采用碎玻璃粉熔凝技术，即将粒径为 50nm 20Fm 的碎玻璃粉均匀参加熔融的锡液中，碎玻璃粉在锡液熔化铺展后，再进展冷却、抛光即可得到柔性超薄玻璃。这两种方法制备出的玻璃厚度为 150m，柔性高、可见光透过率高。4 结语随着超薄玻璃在各大领域越来越广泛的应用，超薄玻璃的制备方法、钢化工艺和后续处理手段的研究也越来越受到人们的重视。随着柔性显示器、曲面手机等一系列新产品的推出，微米级厚度的柔性超薄玻璃已经成为了国外研究的热点。目前，我国许多研究学者已经重视柔性超薄玻璃的开展并投入了量的研究，但是技术还不是很成熟，还不能进展大批量的工业化生产，

18、这仍然需要广阔科研工作者的共同努力。参考文献：1 石瑾超薄玻璃J中国玻璃，2Ol1(5)：47482 Sensi J EPatterned float glass method：USPatent 4，746，347P1 988-05 -243 Nascimento M L FBrief history of the Flat Glass Patentsi*ty Years of the Float ProcessJWorld Patent Information，2021(38)：50564Pitbladdo R BOverflow Downdraw Glass forming Method and Apparatus：USPatent 6748，765P200406155Lida Y，Shiratori MGlass for Chemical Strengthening and Glass Housii ：I JSPatent Application 14176，451P2O14一O2106DeMartinoSE，ElmerT H，UsenkoAMethodsforGlassStrength