鋁硅玻璃基材受紫外輻照特性研究

平文亮 黃軍 周翔磊 王小平

摘? ?要：實(shí)驗(yàn)采用高純?cè)虾蜕虡I(yè)化鋁硅酸鹽玻璃作為研究對(duì)象，通過以365nm和380nm為主波長(zhǎng)的紫外光輻照。研究其輻照前后的色差和透過率變化特性，結(jié)果表明玻璃產(chǎn)生色差的主要原因是玻璃中的Fe等著色離子，在輻照過程中吸收紫外光能量從而發(fā)生了價(jià)態(tài)變化，產(chǎn)生色差。高純?cè)系牟Ａ浣?jīng)過相同能量的輻照后，色差值不足商業(yè)化鋁硅酸鹽玻璃的1/20，且二者的色度變化皆為b*正向增加（即發(fā)黃）。此外在可見光范圍內(nèi)，輻照后透過率衰減程度隨波長(zhǎng)的增加而減少;同一波段，隨著紫外輻照能量的累積，透過率衰減逐漸減少，并具有一定的數(shù)據(jù)函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：鋁硅酸鹽? 蓋板玻璃? 紫外? 色差? 透過率? 吸收率

中圖分類號(hào)：U270.42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（a）-0060-05

Abstract： The experiment used the glass with high-purity raw materials and the commercial glass as the research object， and irradiated by the ultraviolet light with 365 nm and 380 nm as the main wavelengths. The characteristics of chromatic aberration and transmittance change before and after irradiation were studied. The results show that the main cause of chromatic aberration of glass is the colored ions such as Fe in the glass， which absorbs the ultraviolet light energy during the irradiation to cause valence change and chromatic aberration. After irradiation of the same energy， the glass of high-purity raw material has a color difference of less than 1/20 of the commercial aluminosilicate glass， and the chromaticity changes of both are positively increased by b* （ie， yellowing）. In addition， in the visible range， the degree of attenuation of the transmittance after irradiation decreases with the increase of the wavelength; in the same band， with the accumulation of ultraviolet radiation energy， the attenuation of the transmittance is gradually decreasing， and has a certain data function relationship.

Key Words： Aluminosilicate;Cover Glass;UV;Chromatic Aberration;Transmittance;Absorptivity

隨著電子智能設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)高性能的玻璃材質(zhì)提出越來越多的技術(shù)要求。在觸摸屏顯示行業(yè)，玻璃作為人機(jī)互動(dòng)的直接界面，因此其玻璃材質(zhì)性能和發(fā)展越來越受到從業(yè)者和消費(fèi)者的關(guān)注。目前行業(yè)內(nèi)主要為鋁硅酸鹽玻璃為主，通過化學(xué)鋼化的方法獲得高強(qiáng)度的保護(hù)玻璃，但是在玻璃應(yīng)用過程中由于多種工藝使用到UV紫外光，玻璃經(jīng)UV輻照后會(huì)產(chǎn)生色差，并造成透過率的衰減，該問題直接困擾玻璃觸控顯示行業(yè)的應(yīng)用[1-2]。

根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，發(fā)現(xiàn)玻璃發(fā)生UV能量輻照后發(fā)生色差主要是因?yàn)椴Ａг牧现泻猩倭恐x子元素，主要為Fe、Ti、Ni和Cr等，該部分離子主要來源于玻璃原材料、混料運(yùn)輸工藝和熔制成型工藝。以Fe離子為例，在玻璃體中以Fe2+和Fe3+形式存在，熔窯中的氧化氣氛會(huì)增加Fe3+的比例，反之還原氣氛會(huì)增加Fe2+的比例， 其經(jīng)受紫外輻照后，其低價(jià)離子會(huì)失去電子變成高價(jià)離子，從而使玻璃產(chǎn)生色差，產(chǎn)生色心導(dǎo)致玻璃透過率衰減。目前玻璃的抗紫外能力的主要途徑主要有兩種，第一種普遍加入CeO2來通過Ce2+釋放電子來防止其他著色離子變價(jià)著色;另一種方法是通過高純的玻璃原材料來減少玻璃體中的著色離子含量來控制顏色變化。本實(shí)驗(yàn)主要采用高純?cè)先壑频牟ＡШ褪袌?chǎng)上應(yīng)用的鋁硅玻璃作為研究對(duì)象，探究其受紫外輻照后的色差和透過率等變化規(guī)律和特性。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 玻璃樣品制備

本實(shí)驗(yàn)選用日本旭硝子AGC的龍尾玻璃材料（DT-HW）作為研究的玻璃基材，玻璃化學(xué)組成經(jīng)賽默飛Thermofisher型號(hào)為AdvatX3600的XRF成分檢測(cè)儀檢測(cè)如表1所示。選用純度在99.99%的原材料，經(jīng)研磨混料，鉑金坩堝1650℃熔制澄清6h后，澆鑄成塊，650℃退火2h后自然冷卻，切割研磨拋光成0.7mm玻璃樣品備用。

將上述兩種玻璃切割成50mm×50mm×0.7mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，經(jīng)ACE-930超聲波清洗機(jī)清洗烘干后，覆膜編號(hào)備用。

上述兩種玻璃在組成上的最大區(qū)別在于DT-HW商業(yè)化玻璃Fe2O3等著色離子含量較高，為0.0152%，而實(shí)驗(yàn)室高純?cè)先壑频牟Ａе挥?.0019%;本實(shí)驗(yàn)主要研究玻璃中Fe2O3等著色離子對(duì)UV能量的吸收特性。

1.2 紫外輻照實(shí)驗(yàn)

將上述樣品分別經(jīng)過已穩(wěn)定運(yùn)行的三昆科技公司的SK-336-330DP型號(hào)紫外固化機(jī)，其發(fā)射紫外線的金屬鹵素?zé)舭l(fā)光光譜圖如圖1所示，主波長(zhǎng)為365nm和380nm，經(jīng)LS128UV能量計(jì)檢測(cè)單次輻照能量為1400mj/cm2，玻璃樣品分別經(jīng)0、1400、2800、4200和5600mj/cm2能量輻照后檢測(cè)備用。

2? 結(jié)果分析與討論

2.1 玻璃樣品色差變化

將上述實(shí)驗(yàn)中的樣品分別經(jīng)彩譜科技的CS-810投射分光測(cè)色儀檢測(cè)，分別得到經(jīng)1400、2800、4200、5600mj/cm2和未經(jīng)紫外輻照的原始玻璃的色差數(shù)據(jù)如表格2所示。其中包括（L*）、（a*）、（b*）值，根據(jù)CIE國(guó)際通用的色空間來表示[5-7]，其中L*為明度坐標(biāo)，表征顏色的亮度大小;a*、b*為色品坐標(biāo)，表征顏色的色調(diào)和飽和度，色差值用△Eab*來表示，為綜合色差值，具體計(jì)算方法和亮度差△L、紅綠差△a、黃藍(lán)差△b有關(guān)系。其計(jì)算公式見公式（1）：將上述表格中的數(shù)據(jù)整理為圖2所示的色差對(duì)比圖，可以明顯發(fā)現(xiàn)，兩者亮度L*和a*值隨輻照能量的增加，變化不大，而其b*值和色差值△Eab隨輻照能量的增加而顯著變大。在6000mj/cm2能量值范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室熔制的高純玻璃其色差值△Eab均低于0.1;而DT-HW的玻璃其色差△Eab就非常大，是實(shí)驗(yàn)室高純玻璃的25～30倍。其主要原因在于二者的Fe2O3等著色離子含量相差8倍，DT-HW玻璃中的這些以Fe2O3為代表的的著色離子經(jīng)紫外光輻照后，吸收了部分能量，差生了價(jià)態(tài)變化而著色，比較明顯的是Fe2+吸收能量轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，玻璃的b*值隨紫外輻照能量的增加而變大，顏色因?yàn)镕e3+比例的增加而顯黃色。

2.2 玻璃樣品透過率變化

2.2.1 DT-HW玻璃樣品的透過率

將上述DT-HW玻璃樣品分別經(jīng)PerkinElmer Lambda750紫外分光光度計(jì)檢測(cè)，分別得到經(jīng)1400、2800、4200、5600mj/cm2和未經(jīng)紫外輻照的原始玻璃的透過率曲線，如圖3所示。

圖3中DT-HW玻璃透過率隨著輻照能量的增加，其透過率發(fā)生衰減，主要呈現(xiàn)有兩個(gè)規(guī)律：（1）衰減幅度在可見光范圍內(nèi)隨著波長(zhǎng)的增加而遞減;（2）衰減幅度隨著輻照能量的累積而遞減。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)室高純玻璃樣品的透過率

將上述實(shí)驗(yàn)室高純玻璃樣品分別經(jīng)PerkinElmer Lambda750紫外分光光度計(jì)檢測(cè)，分別得到經(jīng)1400、2800、4200、5600mj/cm2和未經(jīng)紫外輻照的原始玻璃的透過率曲線，如圖4所示。

上圖中高純玻璃透過率隨著輻照能量的增加而遞減的規(guī)律與2.2.1中的一致，因其Fe2O3等著色離子含量較低，因此其透過率衰減幅度遠(yuǎn)小于DT-HW玻璃，說明玻璃經(jīng)紫外能量輻照后，呈現(xiàn)出發(fā)黃和透過率衰減的特性主要取決于其含有的Fe2O3等著色離子含量。

2.2.3 玻璃UV輻照吸收率

對(duì)2.2.1和2.2.2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]所揭示的玻璃透過率，反射率和吸收率之間滿足以下公式（2）：

A%+T%+R%=1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中A%為吸收率，其和玻璃的材質(zhì)及厚度相關(guān);T%為透過率，其和玻璃的材質(zhì)及厚度相關(guān);R%為反射率，其和玻璃的材質(zhì)及表面性質(zhì)相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中厚度、表面性質(zhì)相同，R%變化極小，按照固定值處理，因此其吸收率的升高等于透過率的降低，即△T =△A。

玻璃中含F(xiàn)e2O3等著色離子，其經(jīng)受紫外能量輻照后，產(chǎn)生了價(jià)態(tài)變化，產(chǎn)生色差，吸收不同波段的能量，增加了玻璃的吸收率A%從而降低了透過率T%，由于實(shí)驗(yàn)室熔制高純玻璃的△A比較小，儀器測(cè)量精度影響比較大，此處主要研究DT-HW玻璃在可見光波段（380～480nm波段的吸收率△A變化）。

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)其經(jīng)受相同紫外能量后衰減值呈一定的比例關(guān)系，如圖六所示，設(shè)定經(jīng)1400mj/cm2紫外能量輻照后吸收率增加△A，再經(jīng)過1400mj/cm2能量后，吸收率增加0.63△A，依次類推吸收率增加△An=0.63（n-1）△An-1，（n≥2），因此其總的吸收率推導(dǎo)為公式3：

其中A0為原玻璃吸收率;△A為玻璃經(jīng)單位紫外輻照能量（本研究中為1400mj/cm2）后吸收率增加值;而n為總輻射計(jì)量，即單位輻照能量的倍數(shù)。

3? 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，我們可以得到以下結(jié)論：

（1）玻璃受UV能量輻照發(fā)生色差，主要是由于其含有的Fe2O3等著色離子吸收紫外UV能量發(fā)生價(jià)態(tài)變化，引起色差;且色差的大小和其含量成正相關(guān)關(guān)系;

（2）玻璃透過率隨著輻照能量的增加，其透過率發(fā)生衰減，其衰減幅度在可見光范圍內(nèi)隨著波長(zhǎng)的增加而遞減;同時(shí)在相同波長(zhǎng)下，衰減幅度隨著輻照能量的累積而遞減;

（3）玻璃中透過率的衰減主要是由于其玻璃體中對(duì)可見光 短波吸收離子的增多，即玻璃的吸收率增加，通過研究發(fā)現(xiàn)，在可見光范圍內(nèi)，其經(jīng)過相同UV能量輻照后，后一次吸收率增加△An約為前一次的0.63倍即△An=0.63（n-1）△An-1，（n≥2）。

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