玻璃增強研究技術及展望

　　1 引言

　　玻璃因透光性（詞條“透光性”由行業大百科提供）能好，性能穩定而被廣泛應用于建筑、交通、電子及航空航天領域。強度（詞條“強度”由行業大百科提供）是衡量玻璃結構件的重要指標之一。強度是指材料抵抗破壞或失效的能力。從力學角度分析，強度是指材料在一定載荷作用下發生破壞時的最大應力值。對于脆性材料（詞條“脆性材料”由行業大百科提供），斷裂強度（詞條“斷裂強度”由行業大百科提供）最能反映它的力學性能。斷裂必須克服固體的內聚力，原子鍵必須斷開，材料的理論強度恰恰是原子鍵能的一種反映。根據計算，玻璃的理論強度大于7000MPa，但是，測試結果表明，玻璃的實際強度只有80~100MPa，比理論強度低2~3個數量級。影響玻璃實際強度的因素很多：如存放環境(如溫度、濕度、氣氛、存放的時間等)、表面機械加工、樣品尺寸、加載速度、機械劃傷以及內部不均勻性(氣泡、結石)等，其中表面微裂紋的存在對玻璃實際強度影響最大。

　　2 提高玻璃強度的方法

　　玻璃的低強度成為制約其進一步發展的主要因素。因此，提高玻璃的強度是解決問題的關鍵。一直以來，人們嘗試不同的方法提高玻璃的力學性能。通過表面改性的方法，如物理鋼化、化學鋼化、酸腐蝕及表面涂層等，消除或者減少表面微裂紋，使玻璃結構完整，或者在玻璃表面預制出應力層以抵抗外加載荷。這些方法都可以有效地提高玻璃的強度，并應用于不同領域。

　　2.1 物理鋼化

　　利用物理原理在玻璃表面預制壓應力層的方法稱為物理增強法。將玻璃加熱到轉變溫度(Tg)以上，然后使熱的玻璃表面均勻快速冷卻，表面的熱狀態結構被凍結，當玻璃內部逐漸降溫時，先冷卻的外表面層就會制約內部的收縮（詞條“收縮”由行業大百科提供），于是在玻璃表面層產生壓應力，在玻璃內部形成拉應力。應力層厚一般為玻璃厚度的20%~30%。表面應力層的厚度受各種因素的影響，如冷卻速率，玻璃的特性及形狀等。物理鋼化可以達到的強度為350~400MPa，是普通玻璃強度的3-4倍。不同的冷卻裝置決定不同的鋼化玻璃（詞條“鋼化玻璃”由行業大百科提供）生產工藝方法，大致可分為垂直吊掛鋼化法和水平鋼化法。

　　(1)垂直吊掛鋼化法

　　垂直吊掛鋼化法是將玻璃在加熱爐中加熱到工藝規定溫度后，通過鏈條輸送機或曲柄輸送機、勻速輸送機等輸送裝置將其輸送到風柵冷卻裝置中進行冷卻。玻璃必須位于風柵中心線的垂直面上不動，依靠兩側風柵的運動將噴出的氣流均勻地冷卻。風柵的運動分為回轉式、水平往復式和上下往復式三種。冷卻風靠風柵上均勻排列(可以是矩排列也可是梅花形排列)的氣體噴嘴吹向玻璃，噴嘴孔的內徑使用低壓風(普通風機送風)時一般為3～6mm，使用高壓風(壓縮空氣)時一般為0.6~1mm。噴嘴口距離玻璃表面一般為45～50mm。冷卻風的壓力一般為3700 ～9 800Pa，比如6 mm玻璃冷卻風壓力為3 700～4 500Pa，理論淬冷時間15 s，實際吹風時間30 s。

　　(2)水平鋼化法

　　水平鋼化法是玻璃完全處于水平狀態下完成輸送、加熱、成形和淬冷等整個鋼化過程的方法。由于水平鋼化的成形工序可以對玻璃進行熱彎，所以水平鋼化法可生產平鋼化玻璃、單彎鋼化玻璃、雙曲面鋼化玻璃及雙折板鋼化玻璃等產品。水平鋼化法的各個工序都在水平輥道上進行，其中加熱爐和冷卻裝置可作往復運動。水平鋼化法的冷卻裝置同樣是風柵，其噴氣方式有噴嘴式、噴孔式和狹縫式。上部風柵由鋼架、風柵提升裝置、風柵、壓縮空氣管等部件組成。下部風柵的結構和數量與上部風柵相同，但風柵的噴嘴裝在風柵的上端，并且在各支風柵之間不裝導向板，留有一定的間隙，以便使生產過程中偶爾破碎的碎玻璃可經此間隙落入下面的碎玻璃運輸機。

　　最初的水平輥道式鋼化爐（詞條“鋼化爐”由行業大百科提供）同垂直吊掛法鋼化爐一樣，采用電輻射加熱方式。經過多次更新換代，近幾年來不斷出現效率更高、能耗更低、產品質量更好和技術更先進的強制對流加熱鋼化爐、輥道—氣墊鋼化爐、固體流化床鋼化爐、無模自動彎曲鋼化爐、燃氣鋼化爐以及高效雙室鋼化爐等裝備。因此，不同的水平鋼化爐具有不同的工藝參數。

　　物理增強的優點是成本低，產量大，具有較高的機械強度、耐熱沖擊性。但是對玻璃的厚度和形狀有一定的要求，還存在鋼化過程中玻璃變形的問題，無法在光學質量要求較高的領域內應用。另外，物理鋼化玻璃制品無法再加工，表面或者邊部的裂紋均有可能導致玻璃自爆。

　　1.2.2 化學鋼化

　　利用化學方法在玻璃表面預制壓應力層的方法稱為化學鋼化法，又稱離子交換增強法。化學增強法是1960年由Researeh Corporation最早申請了英國專利。化學增強法的原理是：根據離子擴散的機理來改變玻璃的表面組成，在一定的溫度下把玻璃浸入到高溫熔鹽中，玻璃中的堿金屬離子與熔鹽中的堿金屬離子因擴散而發生相互交換，產生“擠塞”現象，使玻璃表面產生壓縮應力，從而提高玻璃的強度。

　　離子交換增強技術分高溫型和低溫型兩種。低溫離子交換是指在玻璃轉變點溫度以下，玻璃中的小半徑堿金屬離子Na+(0.98 Å)與熔鹽中的大半徑堿金屬離子K+(1.33 Å)進行交換，產生擠塞現象而增強玻璃表面。1962年Kistler以硅酸鹽玻璃為原料首先進行了K+-Na+離子交換增強研究。高溫型離子交換則是在玻璃轉變點溫度以上，玻璃中的大半徑堿金屬離子Na+、K+與熔鹽中的小半徑堿金屬離子Li+(0.78 Å)進行交換，產生低膨脹表面層而達到增強的目的。

　　離子交換增強玻璃的特點是強度高、應力均勻、穩定性好、無自爆現象，可切裁加工，不變形，不產生光畸變，適用于形狀復雜、厚度較小的玻璃制品的增強。到目前為止，是強化3 mm以下異形薄玻璃的唯一有效的方法。離子交換增強玻璃性能優異，主要應用于宇宙飛船、軍用飛機、高速列車、戰斗車輛、艦船風擋和側窗等高技術領域。

　　人們研究離子交換增強已經有幾十年歷史，均研究單步離子交換工藝。而單步離子交換玻璃的缺點是：玻璃裂紋的非穩態擴展導致玻璃強度分散性（詞條“分散性”由行業大百科提供）較大。近年來，Green等采用兩步離子交換法對玻璃表面應力分布進行設計制備增強玻璃，其過程是在Tg以下先進行比較長時間的高溫處理，然后在低溫下做短暫處理。研究發現：兩步離子交換法在提高玻璃強度的同時，減小了強度的分散性(<2%)，通過對應力分布的設計可以使玻璃在斷裂前有明顯的多裂紋存在，即玻璃中的裂紋有可能被阻止擴展或者穩定擴展。這種玻璃具有廣泛的工程應用前景，因此，被命名為工程應力分布(engineered stress profile，ESP)玻璃。

　　通過對應力分布的優化得出的ESP玻璃擁有傳統增強玻璃所不具備的力學性能。表1總結了幾種ESP玻璃與傳統增強玻璃的斷裂強度比較。由表1可以看出：ESP玻璃的斷裂強度與傳統單步離子交換玻璃相比沒有明顯的增大或減小。但是可以看到ESP玻璃強度的分散性明顯減小，增加了玻璃的使用可靠性。中國建筑材料科學研究總院玻璃所采用新的變溫兩步法工藝研制出了高強度及高穩定性的玻璃，具有良好的應用前景。

　　表1 ESP玻璃與傳統玻璃的彎曲強度比較

　　1.2.3 酸處理

　　除了應力增強處理外，還可以利用酸腐蝕的方法去除表面微裂紋。酸腐蝕的原理是通過酸侵蝕除去玻璃表面裂紋層或使裂紋尖端鈍化，減小應力集中，以恢復玻璃固有的高強特性。由于酸洗除去表面微裂紋，所以必須選擇強侵蝕能力的酸，如氫氟酸。但單用氫氟酸不容易得到光滑的表面，侵蝕后產生的鹽類，如Na2SiF6、CaF2等，都附著在玻璃的表面。為了除去鹽類，需在氫氟酸中加入硫酸和硝酸等強酸。平板玻璃經酸腐蝕后，由于表面裂紋完全消除或者裂紋尖端被鈍化，強度可達到600~800MPa。

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