JP2020139940A - 化学強化ガラスの残留応力の評価方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、化学強化ガラスの残留応力の評価方法としては、例えば、光導波路法が挙げられる(例えば、特許文献1、非特許文献2)参照)。
[1]下記の式(1)で表される化学強化ガラスの残留応力σにおける、イオン交換に伴って増大する比容Vの変化率である[ΔV/V]Virtualを、前記化学強化ガラスの顕微ラマン散乱スペクトルから導出することにより、前記化学強化ガラスの残留応力σを算出する化学強化ガラスの残留応力の評価方法。
残留応力ゼロのガラスの組成分析により、下記の式(6)におけるCβ,γを決定し、
下記の式(6)におけるΔIR=1を、イオン交換前のガラスにおけるD2ピークの強度Iαと、残留応力ゼロのガラスにおけるD2ピークの強度Iγとから、ΔIR=1=Iγ−Iαとして求め、上記の式(6)におけるΔIを、市販の化学強化ガラスの最表面のD2ピークの強度Iとイオン交換前のガラスのD2ピークの強度Iαとから、ΔI=I−Iαとして求め、上記の式(6)におけるCを、市販の化学強化ガラスの最表面のエネルギー分散型X線分析から求め、これらのV、ΔI、Cを上記の式(6)に代入することにより、上記の式(6)におけるVβを決定し、
下記の式(4)、下記の式(5)および下記の式(6)から得られる下記の式(7)に、ガラスのカリウムイオン濃度Cと比容Vの関係を示す図におけるイオン交換前のガラスを示す点α、理想的化学強化ガラスを示す点βおよび残留応力ゼロのガラスを示す点γを結ぶ線分で形成される三角形の内部にある化学強化ガラスに対する比容V、ΔkおよびΔIの値を代入して得られる連立方程式から、下記の式(7)におけるa´およびb´を求め、
上記の式(7)と前記[ΔV/V]Virtualを表す下記の式(8)から得られる下記の式(9)に、化学強化ガラスの顕微ラマン散乱スペクトルにおけるΔkとΔIを代入して、前記残留応力σを算出する[1]に記載の化学強化ガラスの残留応力の評価方法。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
[化学強化ガラスの残留応力の評価方法]
化学強化ガラスの残留応力σは、Stuffing(詰め込み)効果を定式化した下記の式(1)で表される(V.Tyagi,et al.,J.Non−cryst.Solids 238,186(1998)、R.Gy,Mat.Sci.Eng.B 149,159(2008)、K.D.Vargheese et al.403,107(2014)参照)。
これにより、化学強化ガラスについて、非接触、非破壊かつ位置選択的な残留応力の評価が可能になる。
図1は、ガラスにおける、カリウムイオン(K+)濃度Cと比容Vの関係を示す図である。
図1において、縦軸はガラスの比容V(×Å3/g−atom・NA)、横軸はガラスのカリウムイオン(K+)濃度を示す。なお、NAは、アボガドロ定数(6.02214086×1023mol−1)である。Å=10−10mである。また、図1において、点αはイオン交換前のガラスを示す点、点βはガラスに含まれるナトリウムイオン(Na+)を全てカリウムイオン(K+)に置換した理想的化学強化ガラスを示す点、点γは点βのガラスと組成が等しい残留応力ゼロのガラスを示す点である。
図1において、点αと点βを結ぶ線分αβの傾きは、点αと点γを結ぶ線分αγの傾きよりも小さい。これは、イオン交換によって、比容Vの増大が抑制されていることを意味する。このような現象を、Stuffing効果という。
また、イオン交換前のガラス(点α)をイオン交換したガラスにおけるカリウムイオン(K+)濃度Cと比容Vは、図1に示す三角形αβγの内部および三角形αβγの辺上の一点として表される。その点は、下記の式(3)で表される。
図2は、化学強化ガラスにおけるカリウムイオン(K+)濃度Cとガラス深さzの関係を示す図である。図2に示すように、カリウムイオン(K+)濃度Cは、ガラスの最表面に近づくに従って増大する。
ラマン分光装置を用いた顕微ラマン分光法により、ガラスにレーザー光を照射して、発生したラマン散乱光のスペクトル(顕微ラマン散乱スペクトル)を観察することにより、図2に示すような結果が得られる。
ラマン分光装置を用いた顕微ラマン分光法では、測定範囲を5cm−1〜1400cm−1、ガラスに照射するレーザー光のスポット径を1μm、深さ分解能を5μm以下とする。
図3は、顕微ラマン散乱スペクトルにおけるA1ピークの波数kとガラス深さzの関係を示す図である。図4は、顕微ラマン散乱スペクトルにおけるD2ピークの強度Iとガラス深さzの関係を示す図である。
これらの関係を線形近似すると、下記の式(4)と下記の式(5)が得られる。
上記の式(3)に、上記の式(4)および上記の式(5)を代入すると、下記の式(6)となる。
図5は、酸化物ガラスにおけるボソンピークの位置と比容Vの関係を示す図である。
図5に示すように、Li2O−SiO2、Na2O−SiO2等の酸化物ガラスの場合、比容Vは、その組成によらず、ボソンピークの波数kから一意的に定まる(K.Nakamura et al.,J.Cream.Soc.Jpn.121,1012(2013)参照)。よって、イオン交換前のガラス(点α)と残留応力ゼロのガラス(点γ)の顕微ラマン散乱スペクトルのボソンピークを観察することにより、上記の式(6)におけるVαとVγを決定できる。
上記の式(6)におけるCβ,γは、残留応力ゼロのガラス(点γ)の組成分析から決定できる。組成分析方法としては、例えば、エネルギー分散型X線分析(EDX)、蛍光X線分析(XRF)等を用いることができる。
残留応力ゼロのガラス(点γ)のXRF結果は下表のようになる。この結果から、K+濃度を算出すると、Cβ,γ=10mol%が得られる。
理想的化学強化ガラス(点β)と三角形αβγの内部にある任意の化学強化ガラスに対する比容V、ΔkおよびΔIはそれぞれ、顕微ラマン散乱スペクトルから求めることができる。得られた比容V、ΔkおよびΔIの値を、上記の式(7)に代入して得られる連立方程式から、未定数a´と未定数b´を求めることができる。図5に示すように、Li2O−SiO2、Na2O−SiO2等の酸化物ガラスの場合、比容Vは、その組成によらず、ボソンピークの波数kから一意的に定まる(K.Nakamura et al.,J.Cream.Soc.Jpn.121,1012(2013)参照)。よって、化学強化ガラスの顕微ラマン散乱スペクトルのボソンピークを観察することにより、上記の式(5)におけるVを決定できる。Δkは、化学強化ガラスの顕微ラマン散乱スペクトルにおけるA1ピークの波数kとイオン交換前のガラスの顕微ラマン散乱スペクトルにおけるA1ピークの波数kαから、Δk=k−kαとして求めることができる。ΔIは、化学強化ガラスの顕微ラマン散乱スペクトルにおけるD2ピークの強度Iとイオン交換前のガラスの顕微ラマン散乱スペクトルにおけるD2ピークの強度Iαから、ΔI=I−Iαとして求めることができる。
上記の式(7)および上記の式(8)から、下記の式(9)が得られる。
図6は、上記の式(9)を上記の式(1)に代入して求めた化学強化ガラスの残留応力σとガラス深さzの関係を示す図である。
図6の結果から、本実施形態の化学強化ガラスの残留応力の評価方法は、光弾性法による検査装置の結果とほぼ一致することが分かった。
Claims (2)
- 下記の式(1)で表される化学強化ガラスの残留応力σにおける、イオン交換に伴って増大する比容Vの変化率である[ΔV/V]Virtualを、前記化学強化ガラスの顕微ラマン散乱スペクトルから導出することにより、前記化学強化ガラスの残留応力σを算出する化学強化ガラスの残留応力の評価方法。
- イオン交換前のガラスと残留応力ゼロのガラスの顕微ラマン散乱スペクトルのボソンピークを観察することにより、ガラスの構造緩和率Rを示す下記の式(4)で表される近似式と、ガラスのカリウムイオン濃度C示す下記の式(5)で表される近似式とから得られる下記の式(6)におけるVαとVγを決定し、
残留応力ゼロのガラスの組成分析により、下記の式(6)におけるCβ,γを決定し、
下記の式(6)におけるΔIR=1を、イオン交換前のガラスにおけるD2ピークの強度Iαと、残留応力ゼロのガラスにおけるD2ピークの強度Iγとから、ΔIR=1=Iγ−Iαとして求め、上記の式(6)におけるΔIを、市販の化学強化ガラスの最表面のD2ピークの強度Iとイオン交換前のガラスのD2ピークの強度Iαとから、ΔI=I−Iαとして求め、上記の式(6)におけるCを、市販の化学強化ガラスの最表面のエネルギー分散型X線分析から求め、これらのV、ΔI、Cを上記の式(6)に代入することにより、上記の式(6)におけるVβを決定し、
下記の式(4)、下記の式(5)および下記の式(6)から得られる下記の式(7)に、前記三角形の内部にある化学強化ガラスに対する比容V、ΔkおよびΔIを代入して得られる連立方程式から、下記の式(7)におけるa´およびb´を求め、
上記の式(7)と前記[ΔV/V]Virtualを表す下記の式(8)から得られる下記の式(9)に、化学強化ガラスの顕微ラマン散乱スペクトルにおけるΔkとΔIを代入して、前記残留応力σを算出する請求項1に記載の化学強化ガラスの残留応力の評価方法。
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