高强度超薄玻璃波纹板的制备及化学增强

引言厚度在0.1～1.1mm的玻璃定义为超薄玻璃，超薄玻璃本身具有质轻、透光度高、柔韧度好等优点，在电气电子、生物技术等行业得到越来越广泛的应用。化学增强是超薄玻璃强化的主要途径，可以有效提高玻璃的抗冲击性、耐磨性、热稳定性和化学稳定性，降低玻璃表面的脆性。超薄玻璃波纹板由于是多曲面弯曲，其制备难度较大，且强度较低。本文通过热弯工艺和化学增强工艺制备了一种多弯曲曲面的高强度超薄玻璃波纹板，对其制备过程及性能进行了分析。热弯模具的选择玻璃所使用的成型模具在玻璃热弯成型过程中起着重要的作用，热弯模具的种类主要分为三种：实心模、条框模、空心模。实心模具由于制作成本高，制作周期长，在热弯烧制过程中，模具吸热多，造成升温慢，且容易造成玻璃表面出现麻点等缺陷，因此为了提高生产效率，降低能耗，开发了图1所示的空心模具。图1玻璃波纹板空心模具热弯工艺的选择本文以1.1mm厚钠钙硅玻璃为例，采用28区连续热弯炉制备超薄玻璃波纹板，热弯炉炉体全长分为28个区，1区为上片区，2～5区为预热区，6～7为预成型区，8～9为成型区，10～14为热退火区，15～20为保温退火区，21～24为自然冷却区，25～28为外界交换自然冷却区。热弯工艺如表1所示。表1热弯过程温度控制波纹板的化学增强由于玻璃中存在微裂纹和不均匀区，当玻璃受到应力作用时，表面的微裂纹急剧扩展，裂纹尖端应力集中，以致玻璃破裂。超薄玻璃本身耐冲击性能就差，多曲面热弯加工后，其耐冲击性能会更低，因此必须采取相应措施来提高玻璃波纹板的强度。目前超薄玻璃的增强技术主要是化学钢化，化学钢化是在一定温度下熔盐与玻璃本体中的碱金属离子发生相互置换，大半径离子进入玻璃表面，产生挤塞现象而在表面形成压应力，阻止表面微裂纹受力扩展，从而提高玻璃机械强度。目前化学钢化技术分高温型和低温型两种，其中低温型离子交换更具备工业化应用的条件，交换温度一般为420～480℃。本文研究了不同交换温度和交换时间对超薄玻璃强度的影响，如图2所示。图2交换时间、温度与交换强度的关系曲线由图2可见，420℃时，交换强度随交换时间的延长呈现上升趋势，48h时强度达到最大值，随后玻璃强度降低，强度达到最大值的时间比较长且维持时间较短；480℃条件下，整体交换强度比较低，满足不了对强度的要求；450℃条件下进行交换，交换强度在三条曲线中最高，强度的分散性也很理想。而且12～48h之间交换强度变化不大，稳定性好。由此可见，450℃是比较理想的交换温度。玻璃表面预压应力的存在能有效抑制微裂纹的扩展，但是该抑制作用不仅与玻璃表面应力值有关，还与应力层深度有直接的关系。如果应力层深度很浅，微裂纹扩展一旦穿透应力层深度，就将直接导致玻璃破裂。因此，玻璃增强过程中，不但要提高表面应力值，还应提供较深的应力层深度。应力层深度以玻璃断面上K+离子的扩散深度来表示，交换时间越长，应力层深度越厚。根据以往研究一般的交换时间最好在12h以上，因此，确定了超薄玻璃的化学钢化工艺参数为：450℃下交换16h。在450℃交换16h工艺制度下，加工一组5块规格为1.1mm×150mm×200mm的玻璃样品，每块样品分别取三个点对玻璃非锡面的表面压应力值进行测定，三个点的位置尽量保持一致。表面应力值的测量结果如表2所示。表2化学钢化玻璃表面压应力测量结果统计从表2可以看出，5个样品的强度差别不大，且每一片应力分布均匀，都达到560MPa以上。通过电子探针对450℃下交换16h的化学钢化玻璃样品的交换层深度进行了测量。由于1.1mm玻璃制样困难，应力层深度与玻璃厚度关系不大，所以试验在3mm玻璃上完成。首先测试样品中心点的K+含量约为1.66%，表面K+离子的浓度约33.49%。沿深度方向每隔3mm测一点，如果K+的含量与中点K+含量接近，停止测试，该点的深度定义为K+扩散的最大深度，即交换层厚度。检测深度超过20mm后，K+浓度逐渐趋向于一个稳定的值，说明450℃交换16hK+的扩散深度为20～30mm。结语随着超薄玻璃的广泛应用，未来曲面异形、高强度、多功能化是其主流发展方向。采