离子交换工艺对化学钢化玻璃性能的影响

随着世界高科技产业的不断发展，国际市场对薄型玻璃的需求正日益上升，尤其是平板显示器和手机用薄型玻璃基板。但玻璃由于其脆性特质和微裂纹的影响，使得玻璃的应用范围受到限制。经过钢化处理的玻璃其强度提升3～5倍以上，但同时钢化玻璃的断裂强度分散性大，使得玻璃的使用可靠性降低。为了降低玻璃的断裂强度分散性，提高材料的使用可靠性，GreenDJ发明了两步离子交换制备化学钢化玻璃的方法，即将经过一次离子交换的钢化玻璃，再进行一次离子交换，第二步离子交换过程是熔盐中存在着Na+，与玻璃中的K+进行置换，从而降低玻璃表面的K+含量，即可降低表面的压应力。从玻璃表面到内部存在着K+浓度逐渐升高的过程，K+的浓度梯度也可代表玻璃的压应力的应力梯度，说明从玻璃表面到内部存在一个应力梯度逐渐上升的趋势，并且这一应力梯度的最高峰与玻璃表面的距离要大于微裂纹的深度。所以在微裂纹扩展时，玻璃的压应力会产生一个阻碍微裂纹向内部扩展的效果，并且裂纹扩展过程中受到的阻力会越来越大。故玻璃的断裂强度分散性会降低，使用可靠性增加。这种经过两步离子交换过程的化学钢化玻璃可称之为Engineeredstressprofileglass，简称化学钢化工程应力玻璃。本文主要研究两步离子交换过程中第二步离子交换的时间对离子交换化学钢化玻璃的性能影响。配备第一步熔盐组分（质量分数）：KNO3为97.78%，硅藻土为1.68%，K2CO3

为0.5%，KOH为0.04%，第一步离子交换温度分别为450℃，离子交换时间为30h。配备第二步熔盐组分（质量分数）：KNO3为72%，NaNO3为28%，第二步离子交换温度为400℃，时间分别为18min、33min、48min、63min。试样由INSTＲON1341电液伺服材料试验机进行力学性能测试。利用日本JEOL-JXA-8230型电子探针，采用线扫描方法，测试垂直于玻璃表面沿离子扩散方向Na+

、K+分布情况。首先探讨离子交换时间对玻璃表面K+分布状态的影响，实验结果见下图。图1不同第二步交换时间的化学钢化玻璃表面K+离子分布状态图2第二步离子交换时间的算术平方根与K+离子最高峰位置关系由上图可以看出，合适的交换时间会形成一个较为尖锐的K+最高峰，这样形成的应力梯度会较大，能够产生很好的“R曲线”效应。图1中18min的K+最高峰位置距玻璃表面过近，48min的K+最高峰处较33min处更宽，最高峰不尖锐，会造成强度分散性变大，Weibull模量可表征这一区别。63min的K+最高峰由于交换时间较长，并没有形成较为明显的最高峰，“R曲线”效应失效。所以最佳交换时间应为33min处。根据菲克第二定律公式计算得到K+的离子扩散系数Dk+＝0.885×10-13

m2/s，这一扩散系数反映了第二步离子交换中K+的扩散速率。其次是探讨离子交换时间对玻璃表面Na+分布状态的影响，实验结果见下图。图3不同第二步交换时间的化学钢化玻璃表面Na+离子分布状态图4第二步离子交换时间的算术平方根与Na+离子扩散深度的关系图由上图可以看出，在离子交换过程中熔盐与玻璃中的离子一直存在浓度梯度，离子交换不断进行。Na+在经过一个高峰后逐渐下降到最低点，之后又缓步上升，最终趋于稳定。其中Na+的离子扩散系数DNa+＝0.307×10-13

m2/s。K+的离子扩散系数Dk+＝0.885×10-13m2/s。Dk+＞DNa+，则说明第二步离子交换过程中，主要是Na+的扩散控制着离子交换的速度。第三是探讨抗折强度与Weibull模量分析。通过对抗折强度数据计算及分散度统计，得出试样的Weibull模量，如图5所示。图5不同第二步交换时间的化学钢化玻璃的抗折强度与Weibull模量从图5可看出，交换时间33min的化学钢化玻璃抗折强度最高。最后是显微硬度分析。图6是不同第二步交换时间的化学钢化玻璃显微硬度。由图6可以看出，随着第二步离子交换时间的延长，化学钢化玻璃的显微硬度值先升高后下降，在第二步交换时间33min处达到最大值，同抗折强度趋势相同。图6不同第二步交换时间的化学钢化玻璃显微硬度经过一系列实验可以得出：（1）第二步离子交换时间的增加，抗折强度、显微硬度和Weibull模量趋势一致，先增大后减小，在33min处出现最大值。Weibull模量的数值达到45.946，利用该工艺制度制备的同批次玻璃试样强度断裂分散性较低。（2）第二步离子交换时间的延长，使K+浓度的最高