薄玻璃物理钢化及其进展.pdf

全国性建材科技期刊一一玻璃2024年第3期总第39 0 期薄玻璃物理钢化及其进展续芯如1.2.3徐长青陈兆民1.2 3陈福12.3夏韦美12.3（1.秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司秦皇岛066001;2.河北省玻璃节能减排技术创新中心秦皇岛066001;3.河北省企业技术中心秦皇岛066001;4.中国南玻集团股份有限公司深圳5 18 0 6 7）摘要玻璃的理论强度高达7 0 0 0 MPa，但玻璃产品的实际强度仅为35 7 0 MPa，通过物理钢化的方法能够显著提高玻璃的强度指标，通过分析钢化玻璃的发展历程，提出现有玻璃钢化技术的局限性，有针对性的对微粒玻璃钢化技术、离子注人玻璃钢化技术、液体介质玻璃钢化技术、使用飞秒超短脉冲激光的玻璃强化技术进行分析，提出薄玻璃物理钢化作为安全玻璃适用范围和应用领域。关键词薄玻璃；物理钢化；微粒玻璃钢化；离子注人玻璃钢化；液体介质玻璃钢化中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：10 0 3-19 8 7（2 0 2 4）0 3-0 0 14-0 5Physical Tempering of Thin Glass and Its ProgressXU Xinru,XU Changqing,CHEN Zhaomin,CHEN Fu,XIA Weimei2.(1.Qinhuangdao Glass Industry Research and Design Institute Company Limited,Qinhuangdao 066001,China;2.Hebei Province Glass Energy Saving and Emission Reduction Technology Innovation Center,Qinhuangdao 066001,China;3.Hebei Province Company Technology Center,Qinhuangdao 066001,China;4.CSG Holding Co.,Ltd.,Shenzhen 518067,China)Abstract:The theoretical strength of glass is up to as high as 7000 MPa,but the actual strength of glassproducts is only 35 to 70 MPa.The strength index of glass can be significantly improved by physicaltempering method.By analyzing the development process of tempered glass,the limitations of existingtempering glass technology are pointed out.Based on the analysis of tempering technology of themicroparticle glass,ion implantation glass,liquid medium glass,and the strengthening technology of thefemtosecond ultra-short pulse laser glass,the application range and application field of the physicaltempering to the thin glass as a safety glass is proposed.Key Words:thin glass,physical tempering,tempering microparticle glass,tempering ion implantationglass,tempering liquid medium glass感，对于玻璃产品，通常采用酸抛光或火抛光等工0引言艺，以形成无缺陷的表面。这种后处理不仅可以减机械性能和消费品安全一直是玻璃研究和创新的主要驱动力。商品玻璃材料是脆性的，因此，它们的机械性能对其表面存在的微观缺陷极为敏少原始玻璃制品上存在的表面缺陷，还可以通过产生化学成分、质量密度和残余应力的表面梯度来更持久地提高产品的耐久性。在过去的一段时间内，基金项目：国家重点研发计划项目（项目编号：2 0 2 3YFC3806200）。作者简介：续芯如（19 8 6-），女，高级工程师，大学本科，从事玻璃材料研发和科研管理工作。14研究与综述化学钢化一直是玻璃强化方式研究的主题，这是由化过程专利。Littleton、L illie 和Shater于19 42 年分别手机和其他个人电子设备盖板的巨大市场吸引力引发表了有关钢化玻璃的生产方法的专利，解释了钢发的，进一步的应用包括药品包装、医疗注射器或化过程的理论并且试图对钢化过程中玻璃产生的应餐具等。然而，尽管化学钢化玻璃的机械性能令人变程度加以控制。19 6 2 年，Stooky发明高温型化学着迷，但在成本、产量和工艺可扩展性方面仍然存钢化，同年Kistler在杂志上发表了低温型化学钢在一些限制，如盐浴中毒和回收、浸泡/盐暴露方化，是英国最早出现有关离子交换的专利。法、反应时间、适用的玻璃化学成分等。钢化玻璃在工业上得到应用最早可能是在鉴于这些局限性，热钢化（物理钢化）仍然1892年，由Jena玻璃厂的Schott博士实现的。2 0 世是提高商品玻璃产品机械性能的主要方法，主要纪30 年代中期，欧洲开始采用钢化安全玻璃，法体现在两个方面：在产品表面形成残余压应力国首先将这种产品投放市场。19 46 年，美国第一层，在产品内部形成拉伸应力区。且物理钢化加次用快速自重弯钢化成型法制造了汽车Futuramic工速度快、成本低、产量高，由于这些原因，物Oldsmobibe，其他汽车公司很快效仿这种做法。理钢化玻璃在日常生活中无处不在，如在侧窗和到5 0 年代后期，自重弯钢化系统的生产能力已达背光汽车玻璃、车顶窗、隔断墙、餐具甚至某些到顶点，玻璃可以绕轿车弯18 0，甚至弯曲到类型的饮料容器中等。轿车的顶部。2 0 世纪7 0 年代，钢化技术开始全面推广，钢化玻璃在汽车、建筑、航空、电子等领1钢化玻璃的发展及现状域开始使用，尤其是在建筑和汽车方面得到广泛1.1钢化玻璃的发展玻璃钢化早期尝试是在18 7 0 年，法国巴士底的Francois Bathelmy Alfred Royer于18 7 4年获得第一项专利，他把玻璃加热到接近软化温度后立即投人一个温度相当低的液体槽中，其钢化方法为液体钢化法。18 7 5 年，德国的Frederick Siemens提出了采用施加压力的方法进行钢化，他在专利中谈到：“新的制造方法包括在模子中或在模子之间对受热状态的玻璃施加压力，以使其能抵抗热冲击和物理冲击”。显然，这种方法是把钢化和压制结合在一起，玻璃被压成所需形状的同时，有可能由于模子的冷却而被钢化。Siemens在后来的一项专利中认识到了这一点。在该专利中，他改变了原先提出的加压钢化的主张，明确提出采用冷却钢化。18 8 1年，Siemens再次获得专利，叙述了利用平板冷却或钢化不规则制品，在不规则制品中填满砂子，然后砂子与平板（如空气或水）接触，再次冷却。18 7 6 年，美国马萨诸塞州的GeovgeE.Rogens将钢化玻璃技术应用于玻璃酒杯和灯柱等产品上。同年，新泽西州的Hugh Oheill获得了一项有关“观察孔”中的钢应用。2 0 世纪8 0 年代开始，随着玻璃的新品种增加，钢化玻璃制造工业进行了新产品的开发和研究，如建筑节能窗的低辐射钢化玻璃、汽车玻璃的大型化及异型玻璃钢化等。我国钢化玻璃的开发研究始于2 0 世纪5 0 年代。19 5 1年3月，由沈阳玻璃厂与东北科研所（建材研究院的前身）合作，采用煤气加热、吹风急冷的办法制造出第一块物理钢化玻璃，随后开始小批量生产，同时开展垂直吊挂钢化电炉的研究设计，为19 5 5 年和19 6 5 年在上海耀华玻璃厂和秦皇岛15 6 厂先后建成两套钢化电炉奠定了基础。2 0 世纪7 0 年代，由洛阳玻璃厂率先引进比利时的吊挂式弯钢化玻璃生产线，初步解决了车用玻璃的配套问题。19 5 3年5 月，由沈阳玻璃厂试制出化学钢化玻璃并进行批量生产后，秦皇岛耀华玻璃厂在19 8 3年又建成了一条化学钢化玻璃生产线。2 0 世纪8 0 一9 0 年代，我国相继引进了一批水平钢化玻璃生产线，19 9 4年，我国自行开发的首条水平辊道法钢化玻璃生产线投产，标志着我国玻璃钢化技术融人全球之中。15全国性建材科技期刊一一玻璃1.2手我国钢化玻璃的生产及消费情况按国家统计局和国家海关的统计口径，2 0 2 2 年我国钢化玻璃产量为5.8 亿m，同比减少6.4%；表观消费量为2.2 8 亿m，同比减少2 2.9%；出口量项目名称2015年产量/万m22434.2出口量/万m5869.4进口量/万m155.3表观消费量/万m16720.12薄玻璃钢化技术2.1化学钢化化学钢化是通过改变玻璃表面的组成以提高玻璃强度的方法，由于它是通过离子交换使玻璃强度增强，因此又称为离子交换增强法。根据离子交换的温度又可分为低于玻璃转变点温度的低温型离子交换和高于玻璃转变点温度的高温型离子交换，因为经济和工艺方面的原因，在实际生产中低温型离子交换应用范围更广。一般是将玻璃浸入熔融的KNO溶液（温度为40 0 46 0）一定的时间（通常为12 4h），有利于溶液中的较大K*（4配位为半径0.137 nm）取代玻璃结构中较小的Na（4配位为半径0.0 9 9 nm），从而在玻璃表面产生高达10 0 0 MPa的压应力。它不仅可用于钢化厚度T）浸人液态镓（T200）中时，实验观察到的传热系数超5000W/mK，对于厚度为3.3mm和1.1mm的玻璃，残余表面压应力分别在8 5 MPa和2 0 MPa左右，抗表面缺陷性显著增强。该研究项目已获得欧洲研究理事会（ERC）欧盟Horizon2020研究和创新计划的资助。3.4使用飞秒超短脉冲激光的玻璃强化技术聚焦的飞秒激光脉冲可引起玻璃内部局部永久折射率的变化，并且使用放大的钛蓝宝石激光器的飞秒激光脉冲辐照玻璃，因激光与玻璃的相互作用可能变得高度非线性，从而导致玻璃的永久改性而得到强化。182024年第3期总第39 0 期使用放大的10 37 nm飞秒光纤激光系统，该系统以2 0 0 kHz重复频率运行，可变脉冲能量高达5J，脉冲持续时间为30 0 fs。使用物镜将飞秒激光脉冲照射到钠硅酸盐浮法玻璃中进行聚焦（激光束的聚焦深度从10 0 m变为5 0 0 um，线周期达到10 0 pm，扫描速度从5 0 mm/s变为5 0 0 mm/s，频率保持恒定的2 0 0 kHz反复运行）。通过使用电动XYZ平移台，可有效控制位置，具有高重复频率的硒能量的聚焦深度产生线形异质相，这样玻璃就得到了强化。4结语化学钢化的薄玻璃，在平整度和机械强度方面要强于物理钢化，但是化学钢化的薄玻璃破碎状态呈针状破碎，属于不安全破碎，物理钢化的薄玻璃破碎呈颗粒状，属于安全破碎；生产方面，相对于化学钢化，物理钢化的成本低、生产效率高、无污染性排废。对于不同方法强化的薄玻璃，可以根据使用领域、使用场景和性能需求等条件选择合适的钢化技术，随着建筑业窗玻璃薄型化、轻量化的发展，薄钢化玻璃在建筑业中的使用将更加广泛，大力发展和研究薄玻璃物理钢化技术和方法是非常必要的。参考文献1 刘志海，胡桂萍.钢化玻璃发展现状及趋势 .玻璃，2 0 0 4(02):49-52.2 王立祥，李勇，嵇书伟.浅析玻璃物理钢化的冷却工艺及影响质量的因素 J玻璃，2 0 10,37（0 5）：34-38.3程金树，朱连英，楼贤春.玻璃钢化方法的探讨 .材料导报,2 0 12,2 6（S2）：135-137+16 2.【4陈佳。钢化玻璃安全性能的理论分析与实验研究 D.浙江大学，2 0 14.5 王沛钊，吴亚，丁小叶，等.浮法超薄玻璃化学钢化及性能研究 J硅酸盐通报，2 0 16,35（0 5）：16 2 2-16 2 6.D0I:10.16552/ki.issn1001-1625.2016.05.054.【6 冯晨笛，林俊良，耿越，等.薄玻璃化学钢化与物理钢化的性能对比 CJ/中国硅酸盐学会电子玻璃分会.2 0 18 年电子玻璃技术论文汇编。【出版者不详，2 0 18:7.