玻璃基板材料化学钢化试验研究

近年来，随着平板显示器技术、太阳能发电技术等飞速发展，对超薄玻璃需求量与日俱增。为了提高超薄玻璃的机械强度，改善玻璃性能，克服物理钢化导致的玻璃变形，人们一般采用离子交换的方式（化学钢化）对玻璃进行强化处理，其中以低温型离子交换化学钢化应用最为广泛。在本实验中，以普通钠钙硅酸盐玻璃为原片，以分析纯KNO3为离子交换源，运用低温离子交换法进行钢化。对钢化过程中玻璃表面中钠、钾离子浓度随时间、温度等变化的规律及其对玻璃维氏硬度的影响进行了观察和探讨。试验过程：试验中所用的玻璃原片由秦皇岛市某玻璃公司生产，玻片厚2.00mm,其主要化学成分如表1所示。玻璃的Tg为580℃。离子交换熔盐为分析纯KNO3，理论熔化点为334℃。先将玻璃分割为25mm×25mm的小片，洗净处理。将分析纯KNO3和玻璃小片放入坩埚中，将坩埚放入电阻炉中，一组试验以10℃·min-1的速度分别升至不同的温度，均保温4h进行离子交换反应；另一组试验以10℃·min-1的速度升至450℃，分别保温不同的时间。离子交换反应结束后，关闭电阻炉，将玻璃小片从熔盐中取出，随炉缓慢降温。当温度降至80℃左右，取出玻璃小片快速冷却至室温，用超纯水洗净玻璃表面残留的熔盐，在电热恒温鼓风干燥箱中干燥，获得玻璃样品。采用帕纳科Axios型X射线荧光光谱（XRF）（波长色散型），测试玻璃的表面成分。

表1玻璃样品的化学组成（质量分数）/%（1）离子交换反应对玻璃表面成分的影响：X射线荧光分析法利用X射线管产生入射X射线（一次X射线），激发被测样品。受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，并且不同的元素所放射出的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性，仪器系统通过对二次X射线进行检测分析，可以给出样品中各种元素的种类及含量。结果见表2表3。表2经不同温度离子交换4h后样品表面成分的XRF测试结果（质量分数）/%表3经450℃离子交换不同时间后样品表面成分的XRF结果

（质量分数）/%从以上数据可以看出，Na2O和K2O的量都发生了明显的改变，说明试验中发生了明显的离子交换。图1为钾离子和钠离子浓度随温度变化曲线（保温4h），可以看出，离子交换前后玻璃表面中的钾离子和钠离子浓度分数变化明显，在相同的保温时间下，随着交换温度的不断升高，钾离子浓度分数不断增加，钠离子浓度分数不断减小。但是，从图1中曲线的斜率变化可以看出，随着交换温度的升高，钾离子浓度分数的增加速率不同。玻璃中钾离子浓度增加速率的变化情况，随着温度的增加，钾离子浓度的增加速率不断下降。当高于450℃时，钾离子浓度的增加速率急剧下降，470℃时，可以粗略算出此时钾离子浓度增加速率相比450℃时下降了80%。图1离子浓度随温度变化曲线（保温4h）图2为450℃钾离子和钠离子浓度随反应时间的变化曲线。从图2可以看出，在该试验温度下，离子交换反应迅速进行，反应2h即有较大的离子交换量。随着交换时间延长，钾离子浓度分数逐渐增加，钠离子浓度分数逐渐减小。但随着时间增加，钾离子浓度分数增加速率减小，超过12h，钾离子增加和钠离子减少都很缓慢，离子交换反应几乎达到平衡。图2离子浓度随反应时间关系曲线（450℃）（2）离子交换对玻璃维氏硬度的影响：从图3中可以看出，在相同的时间下，随着温度的增加，维氏硬度逐渐增加，在450℃时达到最大值，然后逐渐减小。图3离子交换反应温度对玻璃维氏硬度的影响曲线（4h）从图4中可以看出，随着时间延长，离子交换后玻璃的维氏硬度，先逐渐增加，到12h附近出现峰值，随后维氏硬度逐渐减小。两图的实验结果与离子浓度的变化规律一致。图4离子交换反应时间对玻璃维氏硬度的影响曲线（450℃）通过进行一系列的实验，可以得出：（1）离子交换后玻璃表面中钾离子浓度分数大幅度增加，钠离子浓度分数显著减小，玻璃维氏硬度增加。（2）随着交换温度的升高，K+浓度分数增加，增加速率减小。低于450℃的时，K+浓度分数增加速率缓慢减小，维氏硬度逐渐增加，在450℃附近维氏硬度达到峰值。高于450℃，离子交换没有增加玻璃维氏硬度，反而导致硬度降低。（3）随着时间延长，玻璃表面中钾离