CN101921067A - 高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法以及一种增强玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法以及一种增强玻璃，属于玻璃增强技术领域。该方法将玻璃原片在450℃下，置于离子交换介质中处理16小时，得到离子交换玻璃后，再在300～350℃下空气中处理0.5～2.5小时，然后自然冷却。该离子交换介质由97％工业纯KNO3及添加剂0.5％Al2O3，2％K2CO3，0.5％KOH组成。本发明离子交换玻璃的玻璃强度高，强度分散性低，且工艺简单，处理成本低，所提供的增强玻璃可以用作高速列车、飞机等的风挡玻璃。
Description
技术领域
本发明属于玻璃材料领域，涉及一种玻璃增强技术，具体涉及通过离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法以及该方法获得的增强玻璃。
背景技术
玻璃因具有透光性能好，加工成型工艺简单而被广泛应用建筑，汽车，航空及航天等领域。玻璃因表面存在微裂纹，实际强度比理论强度低2～3数量级，一般只有100～200MPa。为了提高玻璃的强度，人们采用离子交换的方法，将玻璃的Na+与KNO3熔盐中的K+进行交换。由于K+的半径比Na+的大，玻璃表面产生应力层。外力首先必须克服应力才能使玻璃最终破坏，因此提高了玻璃的强度。
由于玻璃是脆性材料，相同处理工艺样品的强度分散在一定范围内。离散系数是表征其分散度的参量。离散系数越小，玻璃强度的稳定性越好。经过离子交换后，虽然玻璃的强度提高了，但是强度的离散系数还是比较大。一般为20～50％，给结构设计带来极大不便。
为了提高玻璃的强度及稳定性，Green采用两步离子交换法成功制造出了造出了强度高，分散性小的玻璃(D J Green，R Tandon，V M Sglavo.Crack arrest and multiple cracking in glass through the use of designed residualstress profiles[J].Science，283(1999)1295.)。两步离子交换法对玻璃表面应力分布进行设计制备增强玻璃，其过程是在Tg以下先进行比较长时间的高温处理，然后在低温下做短暂处理。研究发现：两步离子交换法在提高玻璃强度的同时，减小了强度的分散性，通过对应力分布的设计可以使玻璃在断裂前有明显的多裂纹存在，即玻璃中的裂纹有可能被阻止扩展或者稳定扩展。这种玻璃具有广泛的工程应用前景，因此，被命名为工程应力分布(engineered stress profile，ESP)玻璃(S J Glass，E K Beauchamp，CNewton，et al.Strength，fracture behavior and stress profiles for engineered stress profile(ESP)glass[A].102nd Annual Meeting of the American CeramicSociety，2000.)。
Green等两步离子交换法工艺过程是：第一步，以KNO3熔盐为交换介质，在500℃处理24h；第二步，以30％(摩尔分数，下同)NaNO3，70％ KNO3混合熔盐为交换介质，在400℃处理0.5h。工艺过程中第一步主要是熔盐中的K+取代玻璃中的Na+，获得比较深的应力层；工艺过程中第二步可以将玻璃表面的部分K+重新交换出来，将最大应力值向玻璃内部移动。
两步离子交换工艺在一定条件下可获得分散性小的玻璃，但由于两步法中涉及使用KNO3/NaNO3混合熔盐，熔盐的混合比例受到严格控制，熔盐的更换也给工艺制造带来不便，同时增加了成本，两步法存在工艺较为复杂的问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单的高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法。
本发明高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法，将玻璃原片在450℃下，置于离子交换介质中处理16小时，得到离子交换玻璃，然后，所述离子交换玻璃再在300～350℃下空气中加热处理0.5～2.5小时，然后自然冷却。
其中，所述离子交换介质按重量由97％工业纯KNO3、0.5％Al2O3、2％K2CO3和0.5％KOH组成。
更具体的，所述离子交换玻璃在320～350℃下加热处理0.5～2.0小时；或者所述离子交换玻璃在325～350℃下加热处理0.5～1.5小时；或者所述离子交换玻璃在320～325℃下加热处理1.5～2.0小时；或者所述离子交换玻璃在300～325℃下处理1.5～2.5小时。最好所述离子交换玻璃在325℃下加热处理1.5小时。
以上提高玻璃强度及降低强度分散性方法中的专用离子交换介质也属于本发明内容，其为按重量由97％工业纯KNO3、0.5％Al2O3、2％K2CO3和0.5％KOH组成的离子交换熔盐。
通过以上所述方法处理得到的增强玻璃也属于本发明内容。该增强玻璃，的玻璃双环强度大于570MPa，且离散系数小于20％。
本发明所采用的高温处理提高离子交换玻璃强度及降低强度分散性的方法，克服了混合熔盐两步法的工艺复杂问题，工艺简单，增强效果好，可用在实际的产品生产中。本发明不涉及熔盐中KNO3/NaNO3配比等问题，处理工艺简单，成本降低。处理后的玻璃强度高，稳定性好，随着高速列车，飞机等的飞速发展，对风挡玻璃强度要求也越来越高，本发明在安全玻璃领域具有很好的应用前景。
具体实施方式
将玻璃清洗干净并烘干后，在450℃下，置于离子交换介质(熔盐)中处理16小时，从离子交换介质中取出得到离子交换玻璃；再将该离子交换玻璃直接置于马弗炉中，在空气中300～350℃下高温加热处理0.5～2.5小时，然后自然冷却。
本发明中，离子交换介质按重量由97％工业纯KNO3及添加剂0.5％Al2O3，2％K2CO3，0.5％KOH组成。
采用双环法测试玻璃的抗弯强度，用Weibull函数对强度分布进行分析。表1为不同处理温度及处理时间玻璃的强度及离散系数比较。
表1不同处理温度及处理时间玻璃的强度及离散系数比较
| 处理温度 | 处理时间/小时 | 强度/MPa | 离散系数/％ |
| 离子交换16小时，25℃ | 0 | 554 | 28.8 |
| 300℃ | 2.5 | 578 | 18.2 |
| 320℃ | 2.0 | 594 | 16.0 |
| 325℃ | 1.5 | 606 | 11.4 |
| 350℃ | 0.5 | 587 | 10.5 |
| Green两步法 | - | 579 | 2.4 |
实验结果表明：离子交换玻璃在300～350℃下处理一定时间能使玻璃强度提高，分散性下降。由表1可知，离子交换16小时的玻璃强度为554MPa，离散系数为28.5％。离子交换玻璃在300～350℃下处理0.5～2.5小时后，玻璃强度有不同程度的上升。随着处理温度的提高，玻璃强度提高所需的处理时间减小。300℃处理2.5小时后，玻璃强度提高24MPa，离散系数减小10％。325℃处理1.5小时后，玻璃强度提高最明显，增加了50MPa，离散系数减小至11.4％。由此可见，离子交换玻璃再经过高温(300～350℃)处理，不但提高了玻璃的强度，而且提高玻璃的稳定性。 另一方面，与Green两步法工艺比较，无需更换离子交换介质，简化了操作过程，同时也节约了成本，并达到了类似的处理效果。
分析本发明的机理，根据离子交换增强的原理，玻璃表面应力与K+的浓度有关。未经过高温处理的玻璃K+浓度最大值在玻璃表面，K+沿离子交换方向逐渐降低。高温处理后，玻璃表面的K+浓度减小，最大浓度向玻璃内部移动，处理的温度越高，K+向内部扩散越快。相应地，应力最大值向玻璃内部移动，使得玻璃对表面微裂纹不敏感，玻璃强度提高，分散性减小。
Claims (10)
1.一种高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法，将玻璃原片在450℃下，置于离子交换介质中处理16小时，得到离子交换玻璃，其特征在于，所述离子交换玻璃再在300～350℃下空气中加热处理0.5～2.5小时，然后自然冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子交换介质按重量由97％工业纯KNO3、0.5％Al2O3、2％K2CO3和0.5％KOH组成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子交换玻璃在320～350℃下加热处理0.5～2.0小时。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子交换玻璃在325～350℃下加热处理0.5～1.5小时。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子交换玻璃在320～325℃下加热处理1.5～2.0小时。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子交换玻璃在300～325℃下处理1.5～2.5小时。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子交换玻璃在325℃下加热处理1.5小时。
8.一种权利要求1至7任一提高玻璃强度及降低强度分散性方法中的专用离子交换介质，按重量由97％工业纯KNO3、0.5％Al2O3、2％K2CO3和0.5％KOH组成。
9.一种增强玻璃，由权利要求1至7任一所述方法处理得到。
10.根据权利要求9所述增强玻璃，其特征在于，玻璃双环强度大于570MPa，离散系数小于20％。
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| CN 201010244911 CN101921067A (zh) | 2010-08-04 | 2010-08-04 | 高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法以及一种增强玻璃 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109437598A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-08 | 文登市文胜玻璃有限公司 | 一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法及钠钙硅离子增强玻璃 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《武汉理工大学学报》 20091130 许杰 等 高温处理对离子交换玻璃力学性能的影响 第110-112页 1-10 第31卷, 第22期 2 * |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109437598A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-08 | 文登市文胜玻璃有限公司 | 一种钠钙硅玻璃的快速离子增强方法及钠钙硅离子增强玻璃 |
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