玻璃基板材料化學鋼化試驗研究

【中玻網】近年來，隨著平板顯示器技術、太陽能發電技術等飛速發展，對超薄玻璃需求量與日俱增。為了提高超薄玻璃的機械強度，改善玻璃性能，克服物理鋼化導致的玻璃變形，人們一般采用離子交換的方式（化學鋼化）對玻璃進行強化處理，其中以低溫型離子交換化學鋼化應用更為廣泛。在本實驗中，以普通鈉鈣硅酸鹽玻璃為原片，以分析純KNO3為離子交換源，運用低溫離子交換法進行鋼化。對鋼化過程中玻璃表面中鈉、鉀離子濃度隨時間、溫度等變化的規律及其對玻璃維氏硬度的影響進行了觀察和探討。

　　試驗過程：試驗中所用的玻璃原片由秦皇島市某玻璃公司生產，玻片厚2.00 mm,其主要化學成分如表1所示。玻璃的Tg為580℃。離子交換熔鹽為分析純KNO3，理論熔化點為334℃。先將玻璃分割為25 mm×25 mm的小片，洗凈處理。將分析純KNO3和玻璃小片放入坩堝中，將坩堝放入電阻爐中，一組試驗以10℃·min-1的速度分別升至不同的溫度，均保溫4 h進行離子交換反應；另一組試驗以10℃·min-1的速度升至450℃，分別保溫不同的時間。離子交換反應結束后，關閉電阻爐，將玻璃小片從熔鹽中取出，隨爐緩慢降溫。當溫度降至80℃左右，取出玻璃小片快速冷卻至室溫，用超純水洗凈玻璃表面殘留的熔鹽，在電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥，獲得玻璃樣品。采用帕納科Axios型X射線熒光光譜（XRF）（波長色散型），測試玻璃的表面成分。

表1    玻璃樣品的化學組成

（質量分數）/%    

　　（1）離子交換反應對玻璃表面成分的影響：X射線熒光分析法利用X射線管產生入射X射線（一次X射線），激發被測樣品。受激發的樣品中的每一種元素會放射出二次X射線，并且不同的元素所放射出的二次X射線具有特定的能量特性或波長特性，儀器系統通過對二次X射線進行檢驗分析，可以給出樣品中各種元素的種類及含量。結果見表2表3。

表2    經不同溫度離子交換4 h后樣品表面成分的XRF測試結果

（質量分數）/%    

表3    經450℃離子交換不同時間后樣品表面成分的XRF結果

（質量分數）/%    

　　從以上數據可以看出，Na2O和K2O的量都發生了明顯的改變，說明試驗中發生了明顯的離子交換。圖1為鉀離子和鈉離子濃度隨溫度變化曲線（保溫4 h），可以看出，離子交換前后玻璃表面中的鉀離子和鈉離子濃度分數變化明顯，在相同的保溫時間下，隨著交換溫度的不斷升高，鉀離子濃度分數不斷增加，鈉離子濃度分數不斷減小。但是，從圖1中曲線的斜率變化可以看出，隨著交換溫度的升高，鉀離子濃度分數的增加速率不同。玻璃中鉀離子濃度增加速率的變化情況，隨著溫度的增加，鉀離子濃度的增加速率不斷下降。當高于450℃時，鉀離子濃度的增加速率急劇下降，470℃時，可以粗略算出此時鉀離子濃度增加速率相比450℃時下降了80%。

圖1    離子濃度隨溫度變化曲線（保溫4 h）

　　圖2為450℃鉀離子和鈉離子濃度隨反應時間的變化曲線。從圖2可以看出，在該試驗溫度下，離子交換反應迅速進行，反應2 h即有非常大的離子交換量。隨著交換時間延長，鉀離子濃度分數逐漸增加，鈉離子濃度分數逐漸減小。但隨著時間增加，鉀離子濃度分數增加速率減小，超過12 h，鉀離子增加和鈉離子減少都很緩慢，離子交換反應幾乎達到平衡。

圖2    離子濃度隨反應時間關系曲線（450℃）

　　（2）離子交換對玻璃維氏硬度的影響：從圖3中可以看出，在相同的時間下，隨著溫度的增加，維氏硬度逐漸增加，在450℃時達到非常大值，然后逐漸減小。

圖3    離子交換反應溫度對玻璃維氏硬度的影響曲線（4 h）

　　從圖4中可以看出，隨著時間延長，離子交換后玻璃的維氏硬度，先逐漸增加，到12 h附近出現峰值，隨后維氏硬度逐漸減小。兩圖的實驗結果與離子濃度的變化規律一致。

圖4    離子交換反應時間對玻璃維氏硬度的影響曲線（450℃）

　　通過進行一系列的實驗，可以得出：（1）離子交換后玻璃表面中鉀離子濃度分數大幅度增加，鈉離子濃度分數顯著減小，玻璃維氏硬度增加。（2）隨著交換溫度的升高，K+濃度分數增加，增加速率減小。低于450℃的時，K+濃度分數增加速率緩慢減小，維氏硬度逐漸增加，在450℃附近維氏硬度達到峰值。高于450℃，離子交換沒有增加玻璃維氏硬度，反而導致硬度降低。（3）隨著時間延長，玻璃表面中鉀離子的濃度分數增加，增加速率下降。小于12 h，鉀離子濃度分數增加速率小幅度下降，維氏硬度增加，在12 h附近維氏硬度更大。超過12 h，離子交換沒有增加玻璃維氏硬度，反而導致硬度降低。