超薄盖板玻璃二步法离子强化工艺研究进展

超薄玻璃具有高透过率、高硬度及平整度好等优良性能，且通过离子强化后具有耐划伤、抗冲击等性能被作为触摸屏盖板使用，广泛应用于智能手机、平板电脑及便携式终端使用。二步法离子强化工艺的应用，不仅实现了强化后应力层深度的增加，也对应力分布进行调整，使压应力最大值不在表面而在内部，有效缓解了受外力时的微裂纹的扩展，实现了超薄盖板玻璃高强度、高抗冲击性能的要求。在商用超薄盖板玻璃市场上，康宁公司在GorillaGlass4（GG4）的离子强化上首次使用了二步法离子交换工艺，使抗冲击性能明显提高，玻璃从1m处跌落地面10次不破裂。GorillaGlass5（GG5）在组分中添加了氧化锂，二步法离子强化后跌落高度提高到1.2m。国内第一款商用锂铝硅盖板玻璃为深圳东丽华公司的凯利6（GK6），采用二步法离子强化后跌落高度可达到1m，三种超薄盖板玻璃强化后的性能如表1所示。从表1中可以看出，康宁GG5在玻璃成分中添加了氧化锂，二步法离子强化后应力层深度大于75mm，抗冲击性能比GG4有明显的提升，国产的GK6强化后性能指标在表面压应力、应力层深度上均达到和超过康宁GG5。表1不同组分超薄盖板玻璃强化后性能对比二步法离子强化后盖板玻璃的性能与玻璃组分、离子交换熔盐成分、离子交换时间和温度等有关。盖板玻璃组分：玻璃组分对离子强化工艺有较大的影响，适合二步法离子强化工艺的超薄盖板玻璃组分有钠钙硅玻璃、钠铝硅玻璃、锂铝硅玻璃。玻璃的组成决定着黏度、表面张力及热膨胀系数等热学指标。从生产上来说，随着铝含量的提高，玻璃的黏度增大，熔化温度升高，造成生产难度加大，成本增加。由于溢流下拉法生产技术的专有性，国内超薄盖板玻璃的生产以浮法工艺进行，钠钙硅玻璃质量好、成本低，但二步法强化后性能稍差；钠铝硅玻璃及锂铝硅玻璃的生产相对困难，但南玻等企业在盖板玻璃上专利进行了布局，强化后性能可达到目前市场上超薄盖板玻璃的性能要求。熔盐成分：二步法离子强化工艺进行两次离子交换，熔盐成分的选择应与玻璃组分中需要交换的离子有关，以锂铝硅酸盐玻璃为例，第一步离子强化以锂-钠交换为主，熔盐以NaNO3为主；第二步以钠-钾交换为主，熔盐以KNO3为主。从二步法离子强化的熔盐组分的选择可以看出，相对于一步法离子交换，熔盐组分的选择更为多样化，且与玻璃组分的选择密切相关，虽然两次强化需要熔盐的用量较多，二步法离子强化也会造成生产效率的降低，但两步法离子强化可获得优良的产品性能。交换温度和时间：超薄盖板玻璃采用的二步法离子强化工艺温度一般为低于应变点温度进行离子交换，尽可能减少离子交换的时间以达到高的强化性能。康宁公司在GorillaGlass4的两步法离子强化时间不足7h，深圳东丽华公司的凯利6（GK6）二步法离子强化时间为110min，但对两个产品的强化温度未见报道。肖特［17］申请的化学钢化的玻璃专利采用第一步离子强化温度420℃，交换时间≤8h，第二步离子强化温度400℃，交换时间≤3h，二步法离子强化后性能：表面压应力CS≥800MPa，应力层深度DOL为80mm。南玻申请的一种高铝玻璃及其强化方法采用锂铝硅玻璃，其中实施例5选用第一步离子交换温度440℃，交换时间380min，第二步离子交换温度395℃，交换时间12min，强化后的性能：CS为910MPa，DOL为82.7mm。离子交换的温度和时间的选择与产品的组分及达到的强化后性能要求有关，以更适用于生产的要求为标准。发展趋势：超薄盖板玻璃强化后的性能不仅与玻璃的组分有关，也与二步法离子强化的工艺密切相关，但两次离子交换的强化机理及离子交换过程中微观结构、扩散动力学及热力学等基础问题仍需要进一步的研究。在这些研究的基础上，进行盖板玻璃组分设计、两步法离子强化工艺优化，从而选择更加符合生产要求的超薄盖板玻璃。浮法工艺由于玻璃液漂浮在锡液上成形，造成玻璃锡面和空气面的成分不同，研究表明，在离子强化后会造成玻璃翘曲，严重影响产品质量，需在控制离子强化后的翘曲问题上做进一步技术开发。5G时代促进物联网、人机交互的发展，智能终端向着轻薄化、集成化发展，对超薄盖板玻璃的需求量也会增加，同时对盖板玻璃强化后的强度、抗冲击性能也提出了较高的要求。目前在高端超薄盖板市场，国外企