曹 欣，周 喆，石麗芬1，，仲召進(jìn)1,，高 強(qiáng)1,

(1.浮法玻璃新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蚌埠 233000；2.中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，蚌埠 233000；3.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116000)

蓋板玻璃是電子產(chǎn)品顯示面板的重要組成部分，對顯示面板起到支撐保護(hù)的作用，保證顯示面板受到摩擦、刻劃等操作時(shí)仍不影響其顯示效果，避免出現(xiàn)破損和表面劃傷的情況。隨著高科技產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，“厚度薄，重量輕，強(qiáng)度高”的蓋板玻璃成為發(fā)展趨勢。但蓋板玻璃的超薄化必然會放大缺陷對玻璃體強(qiáng)度的不利影響，導(dǎo)致蓋板玻璃力學(xué)性能的降低[1,2]。因此，實(shí)現(xiàn)超薄蓋板玻璃的高強(qiáng)化變得尤為重要?；瘜W(xué)強(qiáng)化是增強(qiáng)玻璃的重要途徑之一，其作用機(jī)理[3,4]是基于玻璃表面離子的遷移和擴(kuò)散特性，通過玻璃中小半徑的堿金屬離子與熔鹽中大半徑的堿金屬離子進(jìn)行置換，在玻璃表面產(chǎn)生擠塞效應(yīng)，使玻璃表面呈預(yù)壓應(yīng)力狀態(tài)，以防止玻璃表面裂紋受力擴(kuò)展，從而達(dá)到增強(qiáng)的效果，同時(shí)提高玻璃的顯微硬度、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。因此該項(xiàng)目主要采用化學(xué)強(qiáng)化法，研究硝酸鉀混合熔鹽強(qiáng)化工藝對超薄蓋板玻璃表面化學(xué)強(qiáng)化后性能的影響，以實(shí)現(xiàn)高效強(qiáng)化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)中的玻璃基片為0.55 mm超薄蓋板玻璃，其化學(xué)組成見表1。化學(xué)強(qiáng)化用混合熔鹽成分為：硝酸鉀∶氧化鋁∶硅藻土=100∶0.5∶2.5(質(zhì)量比)，原料均為分析純。將超薄蓋板玻璃進(jìn)行切裁磨邊，同不銹鋼容器一起進(jìn)行超聲波清洗，在電熱鼓風(fēng)干燥箱中100 ℃干燥；將清洗好的玻璃基片進(jìn)行350 ℃預(yù)熱，裝有混合熔鹽的不銹鋼容器置于精密控溫爐內(nèi)，按設(shè)定好的程序進(jìn)行升溫；待溫度升至420～480 ℃并保溫2 h后，將蓋板玻璃浸沒于熔鹽中進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化，爐腔溫度波動在±1 ℃內(nèi)；化學(xué)強(qiáng)化時(shí)間2～6 h，將蓋板玻璃從熔鹽中取出，冷卻后用蒸餾水洗去玻璃表面殘留的熔鹽，最終獲得高強(qiáng)超薄玻璃蓋板。

1.2 性能測試

該文主要以表面壓應(yīng)力、應(yīng)力層深度及表面的維氏顯微硬度來表征高堿鋁硅酸鹽玻璃化學(xué)強(qiáng)化后表面性能的變化。

采用日本折原制所FSM-6000LE全自動表面應(yīng)力測定儀測試超薄蓋板玻璃表面增強(qiáng)后的表面壓應(yīng)力(CS)和應(yīng)力層深度(DOL)；表面應(yīng)力測量范圍：0～1 000 MPa，精度：±20 MPa；應(yīng)力層深度測量范圍：0～200 μm，光源：FSM-LED590，電源：AC(220±5) V，5 A。通過讓光沿著玻璃表面?zhèn)鞑?，根?jù)光彈性技術(shù)測出玻璃上下表面的壓應(yīng)力以及應(yīng)力層深度。采用日本島津HMV-G21DT自動顯微硬度計(jì)測試樣品的維氏顯微硬度(HV)。試驗(yàn)載荷98.07 mN～19.61 N，保載時(shí)間：5～999 s。測試樣品尺寸為50×30×0.55 mm的片狀，試驗(yàn)載荷0.98 N，保載時(shí)間10 s，取5個(gè)樣品的平均值為測試結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)增強(qiáng)對超薄蓋板玻璃表面壓應(yīng)力的影響

超薄蓋板玻璃表面壓應(yīng)力隨化學(xué)強(qiáng)化條件的變化趨勢如圖1所示。

圖1結(jié)果表明，交換時(shí)間為2 h時(shí)，表面壓應(yīng)力在440 ℃時(shí)出現(xiàn)了最大值772.09 MPa，后又逐漸減小至461.24 MPa。當(dāng)強(qiáng)化時(shí)間延長至4 h和6 h時(shí)，在420 ℃時(shí)出現(xiàn)了表面壓應(yīng)力最大值分別為763.56 MPa和778.38 MPa。這是因?yàn)楦邷乇鹊蜏亟o予的活化能多，離子交換速率增加，增加離子交換量，形成具有較大壓應(yīng)力的表面層。但溫度越高，應(yīng)力松弛也就越嚴(yán)重，致使表面壓應(yīng)力下降[5]。同時(shí)，隨著強(qiáng)化時(shí)間的延長，玻璃表面壓應(yīng)力極大值對應(yīng)的強(qiáng)化溫度趨向于低溫區(qū)。結(jié)合生產(chǎn)效率和成本的考慮，優(yōu)選440 ℃，2 h為超薄蓋板玻璃的強(qiáng)化工藝。

2.2 化學(xué)增強(qiáng)對超薄蓋板玻璃應(yīng)力層深度的影響

超薄高堿鋁硅酸鹽玻璃應(yīng)力層深度隨化學(xué)強(qiáng)化條件的變化情況如圖2所示。

圖2表明在相同的化學(xué)強(qiáng)化時(shí)間下，應(yīng)力層深度隨強(qiáng)化溫度的升高幾乎呈勻速增加，應(yīng)力層深度最大值為109.47 μm。這是因?yàn)闇囟鹊纳撸环矫嬖黾恿藬U(kuò)散的活化能，推動了K+—Na+離子的交換；另一方面加速了擴(kuò)散通道的打開，有利于熔鹽中的K+擴(kuò)散，形成更厚的應(yīng)力層。而在相同的強(qiáng)化溫度下，應(yīng)力層深度隨強(qiáng)化時(shí)間的延長而增加。這是由于在離子交換初期，熔鹽中的K+—Na+濃度梯度大，交換動力足，應(yīng)力層加深很快；隨著時(shí)間的延長，玻璃中更多的Na+進(jìn)入熔鹽中，縮小了K+—Na+濃度差，致使交換速度減緩，表面應(yīng)力層深度增加幅度變小[6]。

2.3 化學(xué)增強(qiáng)對超薄蓋板玻璃的維氏顯微硬度的影響

超薄蓋板玻璃表面增強(qiáng)后的維氏顯微硬度隨化學(xué)強(qiáng)化條件的變化情況如圖3所示。

化學(xué)強(qiáng)化是利用熔鹽中體積較大的K+取代玻璃表面體積較小的Na+，在玻璃表層的K+與周圍環(huán)境形成“擠塞效應(yīng)”，宏觀上表現(xiàn)為均勻的壓應(yīng)力。玻璃表面化學(xué)強(qiáng)化后的表面壓應(yīng)力和應(yīng)力層深度會嚴(yán)重影響玻璃表面的維氏顯微硬度。玻璃表面的維氏顯微硬度值受到表面壓應(yīng)力、應(yīng)力層深度和結(jié)構(gòu)松弛的共同作用。

由圖3可看出，當(dāng)離子交換時(shí)間較短時(shí)(2 h)，玻璃的維氏顯微硬度和表面壓應(yīng)力有相同的變化趨勢，隨著溫度的升高CS或HV都先增大后減小。溫度的升高加大了玻璃表面K+的擠塞效應(yīng)，玻璃的維氏顯微硬度增大；溫度繼續(xù)增大，玻璃表面在較高的溫度下開始發(fā)生結(jié)構(gòu)松弛，表面壓應(yīng)力增速放緩，出現(xiàn)表面壓應(yīng)力的最大值，此時(shí)結(jié)構(gòu)松弛還較小，玻璃的維氏顯微硬度隨應(yīng)力層深度的增加而繼續(xù)增大；當(dāng)溫度升高到480 ℃時(shí)，結(jié)構(gòu)松弛造成玻璃表面硬度迅速減小。當(dāng)離子交換時(shí)間為4 h或6 h時(shí)，由于離子交換時(shí)間過長，玻璃在結(jié)構(gòu)松弛的影響下表面壓應(yīng)力隨溫度增大持續(xù)降低，玻璃的維氏顯微硬度與表面壓應(yīng)力有近似的變化趨勢，也隨溫度的升高逐漸減小[7]。

4 結(jié) 論

a.表面壓應(yīng)力隨化學(xué)強(qiáng)化溫度和時(shí)間的變化規(guī)律為：2 h時(shí)，表面壓應(yīng)力隨溫度的升高先增加后減小；4 h和6 h時(shí)，表面壓應(yīng)力隨溫度的升高而減小。

b.應(yīng)力層深度隨化學(xué)強(qiáng)化溫度和時(shí)間的變化規(guī)律為：應(yīng)力層深度隨溫度的升高而增加，隨時(shí)間的延長而增加。

c.強(qiáng)化時(shí)間2 h，玻璃表面的維氏顯微硬度和表面壓應(yīng)力有相同的變化趨勢，隨著溫度的升高CS或HV都先增大后減小。當(dāng)離子交換時(shí)間為4 h或6 h時(shí)，在結(jié)構(gòu)松弛的影響下玻璃的維氏顯微硬度與表面壓應(yīng)力變化規(guī)律相似，也隨溫度的升高逐漸減小。

d.綜合表面壓應(yīng)力、應(yīng)力層深度與維氏顯微硬度的考量，文中超薄蓋板玻璃的最佳表面增強(qiáng)工藝條件為440 ℃、2 h，表面增強(qiáng)后的超薄蓋板玻璃表面壓應(yīng)力為772.09 MPa，應(yīng)力層深度為41.38 μm，維氏顯微硬度為669.5 MPa，滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。