離子交換工藝對(duì)化學(xué)鋼化玻璃性能的影響

【中玻網(wǎng)】隨著世界高科技產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，全部市場對(duì)薄型玻璃的需求正日益上升，尤其是平板顯示器和手機(jī)用薄型玻璃基板。但玻璃由于其脆性特質(zhì)和微裂紋的影響，使得玻璃的應(yīng)用范圍受到限制。經(jīng)過鋼化處理的玻璃其強(qiáng)度提升3～5倍以上，但同時(shí)鋼化玻璃的斷裂強(qiáng)度分散性大，使得玻璃的使用可靠性降低。為了降低玻璃的斷裂強(qiáng)度分散性，提高材料的使用可靠性，Green D J發(fā)明了兩步離子交換制備化學(xué)鋼化玻璃的方法，即將經(jīng)過一次離子交換的鋼化玻璃，再進(jìn)行一次離子交換，第二步離子交換過程是熔鹽中存在著Na+，與玻璃中的K+進(jìn)行置換，從而降低玻璃表面的K+含量，即可降低表面的壓應(yīng)力。從玻璃表面到內(nèi)部存在著K+濃度逐漸升高的過程，K+的濃度梯度也可代表玻璃的壓應(yīng)力的應(yīng)力梯度，說明從玻璃表面到內(nèi)部存在一個(gè)應(yīng)力梯度逐漸上升的趨勢，并且這一應(yīng)力梯度的高峰與玻璃表面的距離要大于微裂紋的高層度。所以在微裂紋擴(kuò)展時(shí)，玻璃的壓應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙微裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展的效果，并且裂紋擴(kuò)展過程中受到的阻力會(huì)越來越大。故玻璃的斷裂強(qiáng)度分散性會(huì)降低，使用可靠性增加。這種經(jīng)過兩步離子交換過程的化學(xué)鋼化玻璃可稱之為Engineered stress profile glass，簡稱化學(xué)鋼化工程應(yīng)力玻璃。

　　本文主要研究兩步離子交換過程中第二步離子交換的時(shí)間對(duì)離子交換化學(xué)鋼化玻璃的性能影響。配備第1步熔鹽組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：KNO3為97.78%，硅藻土為1.68%，K2CO3為0.5%，KOH為0.04%，第1步離子交換溫度分別為450℃，離子交換時(shí)間為30 h。配備第二步熔鹽組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：KNO3為72%，NaNO3為28%，第二步離子交換溫度為400℃，時(shí)間分別為18 min、33 min、48 min、63 min。試樣由INSTＲON1341電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試。利用日本JEOL-JXA-8230型電子探針，采用線掃描方法，測試垂直于玻璃表面沿離子擴(kuò)散方向Na+、K+分布情況。

　　首先探討離子交換時(shí)間對(duì)玻璃表面K+分布狀態(tài)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。

　　圖1不同第二步交換時(shí)間的化學(xué)鋼化玻璃表面K+離子分布狀態(tài)

　　圖2第二步離子交換時(shí)間的算術(shù)平方根與K+離子高峰位置關(guān)系

　　由上圖可以看出，合適的交換時(shí)間會(huì)形成一個(gè)較為尖銳的K+高峰，這樣形成的應(yīng)力梯度會(huì)非常大，能夠產(chǎn)生很好的“R曲線”效應(yīng)。圖1中18 min的K+高峰位置距玻璃表面過近，48 min的K+高峰處較33 min處更寬，高峰不尖銳，會(huì)造成強(qiáng)度分散性變大，Weibull模量可表征這一區(qū)別。63 min的K+高峰由于交換時(shí)間較長，并沒有形成較為明顯的高峰，“R曲線”效應(yīng)失效。所以交換時(shí)間應(yīng)為33 min處。根據(jù)菲克第二定律公式計(jì)算得到K+的離子擴(kuò)散系數(shù)Dk+＝0.885×10-13 m2/s，這一擴(kuò)散系數(shù)反映了第二步離子交換中K+的擴(kuò)散速率。

　　其次是探討離子交換時(shí)間對(duì)玻璃表面Na+分布狀態(tài)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。

　　圖3不同第二步交換時(shí)間的化學(xué)鋼化玻璃表面Na+離子分布狀態(tài)

　　圖4第二步離子交換時(shí)間的算術(shù)平方根與Na+離子擴(kuò)散高層度的關(guān)系圖

　　由上圖可以看出，在離子交換過程中熔鹽與玻璃中的離子一直存在濃度梯度，離子交換不斷進(jìn)行。Na+在經(jīng)過一個(gè)高峰后逐漸下降到低點(diǎn)，之后又緩步上升，趨于穩(wěn)定。其中Na+的離子擴(kuò)散系數(shù)DNa+＝0.307×10-13 m2/s。K+的離子擴(kuò)散系數(shù)Dk+＝0.885×10-13 m2/s。Dk+＞DNa+，則說明第二步離子交換過程中，主要是Na+的擴(kuò)散控制著離子交換的速度。

　　第三是探討抗折強(qiáng)度與Weibull模量分析。通過對(duì)抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)計(jì)算及分散度統(tǒng)計(jì)，得出試樣的Weibull模量，如圖5所示。

　　圖5不同第二步交換時(shí)間的化學(xué)鋼化玻璃的抗折強(qiáng)度與Weibull模量

　　從圖5可看出，交換時(shí)間33 min的化學(xué)鋼化玻璃抗折強(qiáng)度很高。

　　顯微硬度分析。圖6是不同第二步交換時(shí)間的化學(xué)鋼化玻璃顯微硬度。由圖6可以看出，隨著第二步離子交換時(shí)間的延長，化學(xué)鋼化玻璃的顯微硬度值先升高后下降，在第二步交換時(shí)間33 min處達(dá)到很大值，同抗折強(qiáng)度趨勢相同。

　　圖6不同第二步交換時(shí)間的化學(xué)鋼化玻璃顯微硬度

　　經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)可以得出：（1）第二步離子交換時(shí)間的增加，抗折強(qiáng)度、顯微硬度和Weibull模量趨勢一致，先加大后減小，在33 min處出現(xiàn)很大值。Weibull模量的數(shù)值達(dá)到45.946，利用該工藝制度制備的同批次玻璃試樣強(qiáng)度斷裂分散性較低。（2）第二步離子交換時(shí)間的延長，使K+濃度的高峰向玻璃內(nèi)部推移，交換時(shí)間33 min時(shí)，可形成較為尖銳的高峰，提高Weibull模量；隨著第二步交換時(shí)間的延長，使Na+高峰向玻璃內(nèi)部推移，高峰變寬；離子交換過程中由Na+擴(kuò)散控制交換速度。