變溫兩步法離子交換提高玻璃強(qiáng)度及降低強(qiáng)度分散性的方法以及一種增強(qiáng)玻璃技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種變溫兩步法離子交換提高玻璃強(qiáng)度及降低強(qiáng)度分散性的方法以及一種增強(qiáng)玻璃，屬于玻璃增強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域。該方法將玻璃原片依次在高溫和低溫下在離子交換介質(zhì)中進(jìn)行處理，高溫處理溫度范圍為４９０℃～５１０℃，處理時(shí)間為０．５ｈ～１ｈ；低溫處理溫度范圍為４００℃～４２０℃，處理時(shí)間為４８ｈ～７２ｈ。所述離子交換介質(zhì)由９７％工業(yè)純ＫＮＯ３、０．５％Ａｌ２Ｏ３、２％Ｋ２ＣＯ３和０．５％ＫＯＨ組成。變溫兩步法離子交換玻璃的玻璃強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)單步離子交換玻璃性能的不足，所提供的增強(qiáng)玻璃可以用作高速列車、飛機(jī)等的風(fēng)擋玻璃。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于玻璃材料領(lǐng)域，涉及一種玻璃增強(qiáng)技術(shù)，具體涉及通過(guò)離子交換提高 玻璃強(qiáng)度及降低強(qiáng)度分散性的方法以及該方法獲得的增強(qiáng)玻璃。
技術(shù)介紹
在玻璃制造領(lǐng)域，通常利用離子交換來(lái)提高玻璃強(qiáng)度。傳統(tǒng)的單步離子交換玻璃 應(yīng)力層厚度小，應(yīng)力最大值處于玻璃表面比較淺的位置。缺陷的存在使玻璃在受力時(shí)容易 從缺陷處快速擴(kuò)展，降低了玻璃的強(qiáng)度，同時(shí)增加了玻璃強(qiáng)度的分散性。近年來(lái)，Green等(D J Green, R Tandon,V M Sglavo. Crack arrest andmultiple cracking in glass through the use of designed residual stress profiles. Science, 283 (1999) 1295.)采用兩步離子交換法對(duì)玻璃表面應(yīng)力分布進(jìn)行設(shè)計(jì)制備增強(qiáng)玻 璃，其過(guò)程是在Tg以下先進(jìn)行比較長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理，然后在低溫下做短暫處理。研究發(fā) 現(xiàn)兩步離子交換法在提高玻璃強(qiáng)度的同時(shí)，減小了強(qiáng)度的分散性，通過(guò)對(duì)應(yīng)力分布的設(shè)計(jì) 可以使玻璃在斷裂前有明顯的多裂紋存在，即玻璃中的裂紋有可能被阻止擴(kuò)展或者穩(wěn)定擴(kuò) 展。這種玻璃具有廣泛的工程應(yīng)用前景，因此，被命名為工程應(yīng)力分布(engineered stress profile, ESP)玻璃。Green等首先以鈉鋁硅玻璃為原料，采用兩步離子交換法成功制造出了強(qiáng)度高、分 散性小的ESP玻璃。其工藝過(guò)程是第一步，以KNO3熔鹽為交換介質(zhì)，在500°C處理24h ；第 二步，以30% (摩爾分?jǐn)?shù)，下同)NaNO3, 70% KNO3混合熔鹽為交換介質(zhì)，在4001處理0.511。 工藝過(guò)程中第一步主要是熔鹽中的K+取代玻璃中的Na+，獲得比較深的應(yīng)力層；工藝過(guò)程中 第二步可以將玻璃表面的部分K+重新交換出來(lái)，將最大應(yīng)力值向玻璃內(nèi)部移動(dòng)。Abrams等 (M BAbrams, D J Green, S J Glass. Fracture behavior of engineered stress profile sodalime silicate glass , J Non-Cryst Solids, 321 (2003) 10.)報(bào)道了鈉鈣硅玻璃兩 步離子交換。由于鈉鈣硅玻璃的！；相對(duì)低一些，處理溫度也相應(yīng)降低，以減少應(yīng)力松弛對(duì)強(qiáng) 度的不利影響；同時(shí)鈉鈣硅玻璃的互擴(kuò)散系數(shù)比較小，需要更長(zhǎng)的交換時(shí)間以滿足要求。 由于上述幾種方法均涉及使用KN03/NaN03混合熔鹽，熔鹽的混合比例受到嚴(yán)格控制，熔鹽 的更換也給工藝制造帶來(lái)不便，同時(shí)增加了成本。于 是，Shen 等(J Shen，D J Green. Variable-temperature ion-exchangedengineered stress profile(ESP)glass. J Am Ceram Soc， 86 (2003) 1979.)提出了變溫兩步法離子交換，即在傳統(tǒng)的離子交換前增加一道高溫快速離 子交換工序，使用KNO3作為熔鹽在550°C下進(jìn)行快速離子交換15min，然后在475°C下進(jìn)行 離子交換處理18h。但是，該方法由于兩步處理溫度比較高，造成玻璃強(qiáng)度不高等問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用變溫兩步法提供一種離子交換提高玻3璃強(qiáng)度及降低玻璃強(qiáng)度分散性的方法。—種變溫兩步法離子交換提高玻璃強(qiáng)度及降低強(qiáng)度分散性的方法，將玻璃原片分 別依次在高溫和低溫下在離子交換介質(zhì)中進(jìn)行處理，高溫處理溫度范圍為490°C 510°C， 處理時(shí)間為0. 5h Ih ；低溫處理溫度范圍為400°C 420°C，處理時(shí)間為48h 72h。其中，所述離子交換介質(zhì)按重量由97 %工業(yè)純?chǔ)?3、0. 5 % A1203、2 % K2CO3和0. 5 % KOH組成。所述高溫處理在高溫槽中進(jìn)行，所述低溫處理在低溫槽中進(jìn)行，高溫槽和低溫槽 中均裝有所述離子交換介質(zhì)。采用加熱絲的排布位置不同實(shí)現(xiàn)所述高溫槽和低溫槽的加熱iS差ο具體的，所述高溫處理為在高溫槽中495°C下處理lh，所述低溫處理為在低溫槽 中400°C下處理48h。或者，所述高溫處理為在高溫槽中490°C下處理0. 8h，所述低溫處理 為在低溫槽中410°C下處理72h。上述提高玻璃強(qiáng)度及降低強(qiáng)度分散性方法中的專用離子交換介質(zhì)也屬于本專利技術(shù) 內(nèi)容，該離子交換介質(zhì)按重量由97%工業(yè)純?chǔ)?3、0. 5% Al203、2% K2COdn 0. 5% KOH組成。由以上所述方法處理得到的增強(qiáng)玻璃也屬于本
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
。該增強(qiáng)玻璃的雙環(huán)強(qiáng)度 大于等于600MPa，Weibull模量大于等于15，離散系數(shù)小于等于15.8%。采用以上方案，本專利技術(shù)突破了傳統(tǒng)單步離子交換玻璃的強(qiáng)度分散性大的缺點(diǎn)，克 服了混合熔鹽兩步法的工藝復(fù)雜問(wèn)題，采用新型的變溫兩步法離子交換工藝實(shí)現(xiàn)玻璃增 強(qiáng)及降下強(qiáng)度分散性的目標(biāo)。本專利技術(shù)不涉及熔鹽配比等問(wèn)題，處理工藝簡(jiǎn)單，成本降低；另 一方面，配合恰當(dāng)?shù)奶幚頊囟群蜁r(shí)間，處理后的玻璃不僅強(qiáng)度高，而且強(qiáng)度分散性降低，玻 璃穩(wěn)定性好，在安全玻璃領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。隨著高速列車，飛機(jī)等的飛速發(fā)展，對(duì) 風(fēng)擋玻璃強(qiáng)度要求也越來(lái)越高，變溫兩步法離子交換玻璃的優(yōu)越性能將得以彌補(bǔ)傳統(tǒng)單步 離子交換玻璃性能的不足。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)變溫兩步法使用的兩槽化學(xué)鋼化爐結(jié)構(gòu)示意2為單步與兩步離子交換玻璃的應(yīng)力分布比較曲線圖3為變溫兩步法離子交換的玻璃結(jié)構(gòu)變化示意圖具體實(shí)施例方式本專利技術(shù)采用以變溫兩步法離子交換提高玻璃的強(qiáng)度及降低玻璃強(qiáng)度分散性。變溫 兩步法離子交換在兩槽鋼化爐中進(jìn)行。如圖1所示，采用加熱絲的排布位置不同實(shí)現(xiàn)兩個(gè) 槽的加熱溫差。高溫槽可以實(shí)現(xiàn)450°C 5500C的變化，低溫槽可以實(shí)現(xiàn)380°C 450°C的變 化。離子交換介質(zhì)按重量由97%工業(yè)純KNO3及0. 5% Al2O3, 2% K2CO3,0. 5% KOH作為添加 劑組成，加入高溫槽和低溫槽中。玻璃原片經(jīng)兩步離子交換，第一步為高溫處理，在高溫槽 中進(jìn)行離子交換，溫度范圍為490°C 510°C，處理時(shí)間為0. 5h Ih ；第二步為低溫處理， 在低溫槽中進(jìn)行離子交換，溫度范圍為400°C 420°C，處理時(shí)間為48h 72h。采用雙環(huán)法測(cè)試玻璃的抗彎強(qiáng)度，用Weibull函數(shù)對(duì)強(qiáng)度分布進(jìn)行分析。對(duì)不同 處理的玻璃強(qiáng)度及分散性測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)表1。表1不同處理工藝的玻璃強(qiáng)度及分散性不同處理工藝后的玻璃抗彎強(qiáng)度/MPaWeibull 模量離散系數(shù)/%玻璃原片160549. 5單步離子交換 (400°C 48h)5861126. 8變溫兩步法離子交換 (495 0C lh+400-C 48h)750236. 2變溫兩步法離子交換 (490 0C 0. 8h+410°C 72h)6501912. 5變溫兩步法離子交換 (510°C 0. 5h+420°C 60h)6151515. 8Shen的兩步法工藝 (550 °C 15min+475°C 18h)293 (四點(diǎn)彎曲法)-9. 6實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本專利技術(shù)采用變溫兩步法離子交換玻璃的雙環(huán)強(qiáng)度均大于600MPa， 其中玻璃經(jīng)過(guò)495°C處理lh+400°C處理48h平均值高達(dá)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種變溫兩步法離子交換提高玻璃強(qiáng)度及降低強(qiáng)度分散性的方法，將玻璃原片分別依次在高溫和低溫下在離子交換介質(zhì)中進(jìn)行處理，其特征在于，高溫處理溫度范圍為４９０℃～５１０℃，處理時(shí)間為０．５ｈ～１ｈ；低溫處理溫度范圍為４００℃～４２０℃，處理時(shí)間為４８ｈ～７２ｈ。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張保軍，許杰，趙芳紅，吳云龍，霍永琛，馬眷榮，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：11[中國(guó)|北京]