高強度超薄玻璃波紋板的制備及化學(xué)增強

陳瑋 李化中 張凡

（1. 中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 北京 100024；2. 金陵六一三航空設(shè)備維修（江蘇）有限公司 南京 210001）

0 引言

厚度在0.1～1.1 mm的玻璃定義為超薄玻璃［1］，超薄玻璃本身具有質(zhì)輕、透光度高、柔韌度好等優(yōu)點，在電氣電子、生物技術(shù)等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

曲面玻璃是為了滿足現(xiàn)代建筑的高品質(zhì)需求，由優(yōu)質(zhì)玻璃加熱彎軟化，在模具中成型，再經(jīng)退火制備而成，其樣式美觀、線條流暢，突破了平板玻璃的單一性，使用上更加靈活多樣［2,3］?；瘜W(xué)增強是超薄玻璃強化的主要途徑，可以有效提高玻璃的抗沖擊性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，降低玻璃表面的脆性［4-6］。

超薄玻璃波紋板由于是多曲面彎曲，其制備難度較大，且強度較低。本文通過熱彎工藝和化學(xué)增強工藝制備了一種多彎曲曲面的高強度超薄玻璃波紋板，對其制備過程及性能進行了分析。

1 玻璃波紋板的熱彎

1.1 熱彎模具的選擇

玻璃所使用的成型模具在玻璃熱彎成型過程中起著重要的作用，熱彎模具的種類主要分為三種：實心模、條框模、空心模。在實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)不同的產(chǎn)品類型選擇不同的熱彎模具。玻璃波紋板是一種多彎曲面的熱彎玻璃，針對其特殊的形狀，設(shè)計了專用模具，如圖1所示。

圖1 玻璃波紋板實心模具

圖1（a）只有下模，玻璃熱彎過程中主要靠玻璃自重來實現(xiàn)玻璃的軟化彎曲。由于小于1.1 mm的超薄玻璃自重較小，玻璃軟化后只會產(chǎn)生較小的彎曲弧度，所以這種模具主要用于對彎曲度較小的玻璃波紋板的加工。圖1（b）中所示的模具，熱彎過程中，除了玻璃自重外，還給玻璃增加一個外部壓力，可以保證玻璃熱彎后有一個相對較大的熱彎弧度，滿足產(chǎn)品的弧度要求。實心模具由于制作成本高，制作周期長，在熱彎燒制過程中，模具吸熱多，造成升溫慢，且容易造成玻璃表面出現(xiàn)麻點等缺陷，因此為了提高生產(chǎn)效率，降低能耗，開發(fā)了圖2所示的空心模具。

圖2 玻璃波紋板空心模具

制作熱彎模具時，在確定加工弧度和形狀后，首先需完成選材。通常使用普通鋼材（角鐵和扁鐵），建議采用高性能鎳基合金材料BC-8為主體材料，該材料在500～600 ℃的工作環(huán)境中可以長期工作，具有成型精度好、硬度高、耐磨性好及機械加工性能優(yōu)良等特點。在高溫狀態(tài)下，模具整體具有抗氧化的性能，表層不會起皮，不影響背板玻璃表面光學(xué)質(zhì)量的要求，是玻璃熱彎模具的理想材料。對于對表面質(zhì)量要求更高的產(chǎn)品，也可使用陶瓷材料，但成本相對較高。圖3為實際加工的熱彎模具實物圖。

圖3 熱彎模具實物圖

1.2 熱彎工藝的選擇

熱彎工藝是將玻璃置于設(shè)計好的模具上，二次升溫至接近軟化溫度時，依靠自身重力或者借助外力作用發(fā)生彎曲變形，直至與模具表面完全貼附，然后緩慢降溫，消除殘余應(yīng)力，最終將模具的型線在玻璃上固定下來的一個過程。玻璃熱彎是一個升溫-保溫-降溫的過程，根據(jù)不同組成玻璃軟化點的不同，在熱彎過程中，通過調(diào)整溫度、升溫速率、保溫時間、降溫速度等重要參數(shù)保證成型精度。本文以1.1 mm厚鈉鈣硅玻璃為例，采用28區(qū)連續(xù)熱彎爐制備超薄玻璃波紋板，熱彎爐爐體全長分為28個區(qū)，1區(qū)為上片區(qū)，2～5區(qū)為預(yù)熱區(qū)，6～7為預(yù)成型區(qū)，8～9為成型區(qū)，10～14為熱退火區(qū)，15～20為保溫退火區(qū)，21～24為自然冷卻區(qū)，25～28為外界交換自然冷卻區(qū)。熱彎工藝如表1所示，熱彎后得到玻璃波紋板如圖4所示。

表1 熱彎過程溫度控制

圖4 熱彎制備的玻璃波紋板

2 波紋板的化學(xué)增強

由于玻璃中存在微裂紋和不均勻區(qū)，當玻璃受到應(yīng)力作用時，表面的微裂紋急劇擴展，裂紋尖端應(yīng)力集中，以致玻璃破裂。超薄玻璃本身耐沖擊性能就差，多曲面熱彎加工后，其耐沖擊性能會更低，因此必須采取相應(yīng)措施來提高玻璃波紋板的強度。目前超薄玻璃的增強技術(shù)主要是化學(xué)鋼化，化學(xué)鋼化是在一定溫度下熔鹽與玻璃本體中的堿金屬離子發(fā)生相互置換，大半徑離子進入玻璃表面，產(chǎn)生擠塞現(xiàn)象而在表面形成壓應(yīng)力，阻止表面微裂紋受力擴展，從而提高玻璃機械強度。

目前化學(xué)鋼化技術(shù)分高溫型和低溫型兩種，其中低溫型離子交換更具備工業(yè)化應(yīng)用的條件，交換溫度一般為420～480 ℃。本文研究了不同交換溫度和交換時間對超薄玻璃強度的影響，如圖5所示。

圖5 交換時間、溫度與交換強度的關(guān)系曲線

由圖5可見，420 ℃時，交換強度隨交換時間的延長呈現(xiàn)上升趨勢，48 h時強度達到最大值，隨后玻璃強度降低，強度達到最大值的時間比較長且維持時間較短；480 ℃條件下，整體交換強度比較低，滿足不了對強度的要求；450 ℃條件下進行交換，交換強度在三條曲線中最高，強度的分散性也很理想。而且12～48 h之間交換強度變化不大，穩(wěn)定性好。由此可見，450 ℃是比較理想的交換溫度。

玻璃表面預(yù)壓應(yīng)力的存在能有效抑制微裂紋的擴展，但是該抑制作用不僅與玻璃表面應(yīng)力值有關(guān)，還與應(yīng)力層深度有直接的關(guān)系。如果應(yīng)力層深度很淺，微裂紋擴展一旦穿透應(yīng)力層深度，就將直接導(dǎo)致玻璃破裂。因此，玻璃增強過程中，不但要提高表面應(yīng)力值，還應(yīng)提供較深的應(yīng)力層深度。應(yīng)力層深度以玻璃斷面上K+離子的擴散深度來表示，交換時間越長，應(yīng)力層深度越厚。根據(jù)以往研究一般的交換時間最好在12 h以上，因此，確定了超薄玻璃的化學(xué)鋼化工藝參數(shù)為：450 ℃下交換16 h。

在450 ℃交換16 h工藝制度下，加工一組5塊規(guī)格為1.1 mm ×150 mm×200 mm的玻璃樣品，每塊樣品分別取三個點對玻璃非錫面的表面壓應(yīng)力值進行測定，三個點的位置盡量保持一致。表面應(yīng)力值的測量結(jié)果如表2所示。

表2 化學(xué)鋼化玻璃表面壓應(yīng)力測量結(jié)果統(tǒng)計

從表2可以看出，5個樣品的強度差別不大，且每一片應(yīng)力分布均勻，都達到560 MPa以上。

通過電子探針對450 ℃下交換16 h的化學(xué)鋼化玻璃樣品的交換層深度進行了測量。由于1.1 mm玻璃制樣困難，應(yīng)力層深度與玻璃厚度關(guān)系不大，所以試驗在3 mm玻璃上完成。首先測試樣品中心點的K+含量約為1.66%，表面K+離子的濃度約33.49%。沿深度方向每隔3 mm測一點，如果K+的含量與中點K+含量接近，停止測試，該點的深度定義為K+擴散的最大深度，即交換層厚度。玻璃450 ℃交換16 hK+的擴散濃度曲線見圖6。

圖6 玻璃450 ℃交換16 hK +的擴散濃度曲線

從圖6中可以看出，檢測深度超過20 mm后，K+濃度逐漸趨向于一個穩(wěn)定的值，說明450 ℃交換16 hK+的擴散深度為20～30 mm。

3 結(jié)語

隨著超薄玻璃的廣泛應(yīng)用，未來曲面異形、高強度、多功能化是其主流發(fā)展方向。采用熱彎加化學(xué)增強制備的1.1 mm厚玻璃波紋板是一種新型的多曲面超薄玻璃加工方法，目前在太陽能蓋板等方面已有部分應(yīng)用，使用狀況良好。本方法對超薄超強曲面玻璃的制備具有一定的指導(dǎo)意義。