曹 欣，周 喆，石麗芬1，，仲召進1,，高 強1,

(1.浮法玻璃新技術國家重點實驗室,蚌埠 233000；2.中建材蚌埠玻璃工業(yè)設計研究院有限公司，蚌埠 233000；3.大連交通大學材料科學與工程學院，大連 116000)

蓋板玻璃是電子產(chǎn)品顯示面板的重要組成部分，對顯示面板起到支撐保護的作用，保證顯示面板受到摩擦、刻劃等操作時仍不影響其顯示效果，避免出現(xiàn)破損和表面劃傷的情況。隨著高科技產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，“厚度薄，重量輕，強度高”的蓋板玻璃成為發(fā)展趨勢。但蓋板玻璃的超薄化必然會放大缺陷對玻璃體強度的不利影響，導致蓋板玻璃力學性能的降低[1,2]。因此，實現(xiàn)超薄蓋板玻璃的高強化變得尤為重要?；瘜W強化是增強玻璃的重要途徑之一，其作用機理[3,4]是基于玻璃表面離子的遷移和擴散特性，通過玻璃中小半徑的堿金屬離子與熔鹽中大半徑的堿金屬離子進行置換，在玻璃表面產(chǎn)生擠塞效應，使玻璃表面呈預壓應力狀態(tài)，以防止玻璃表面裂紋受力擴展，從而達到增強的效果，同時提高玻璃的顯微硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，降低玻璃表面的脆性。因此該項目主要采用化學強化法，研究硝酸鉀混合熔鹽強化工藝對超薄蓋板玻璃表面化學強化后性能的影響，以實現(xiàn)高效強化。

1 實 驗

1.1 樣品制備

實驗中的玻璃基片為0.55 mm超薄蓋板玻璃，其化學組成見表1。化學強化用混合熔鹽成分為：硝酸鉀∶氧化鋁∶硅藻土=100∶0.5∶2.5(質量比)，原料均為分析純。將超薄蓋板玻璃進行切裁磨邊，同不銹鋼容器一起進行超聲波清洗，在電熱鼓風干燥箱中100 ℃干燥；將清洗好的玻璃基片進行350 ℃預熱，裝有混合熔鹽的不銹鋼容器置于精密控溫爐內，按設定好的程序進行升溫；待溫度升至420～480 ℃并保溫2 h后，將蓋板玻璃浸沒于熔鹽中進行化學強化，爐腔溫度波動在±1 ℃內；化學強化時間2～6 h，將蓋板玻璃從熔鹽中取出，冷卻后用蒸餾水洗去玻璃表面殘留的熔鹽，最終獲得高強超薄玻璃蓋板。

1.2 性能測試

該文主要以表面壓應力、應力層深度及表面的維氏顯微硬度來表征高堿鋁硅酸鹽玻璃化學強化后表面性能的變化。

采用日本折原制所FSM-6000LE全自動表面應力測定儀測試超薄蓋板玻璃表面增強后的表面壓應力(CS)和應力層深度(DOL)；表面應力測量范圍：0～1 000 MPa，精度：±20 MPa；應力層深度測量范圍：0～200 μm，光源：FSM-LED590，電源：AC(220±5) V，5 A。通過讓光沿著玻璃表面?zhèn)鞑?，根?jù)光彈性技術測出玻璃上下表面的壓應力以及應力層深度。采用日本島津HMV-G21DT自動顯微硬度計測試樣品的維氏顯微硬度(HV)。試驗載荷98.07 mN～19.61 N，保載時間：5～999 s。測試樣品尺寸為50×30×0.55 mm的片狀，試驗載荷0.98 N，保載時間10 s，取5個樣品的平均值為測試結果。

2 結果與討論

2.1 化學增強對超薄蓋板玻璃表面壓應力的影響

超薄蓋板玻璃表面壓應力隨化學強化條件的變化趨勢如圖1所示。

圖1結果表明，交換時間為2 h時，表面壓應力在440 ℃時出現(xiàn)了最大值772.09 MPa，后又逐漸減小至461.24 MPa。當強化時間延長至4 h和6 h時，在420 ℃時出現(xiàn)了表面壓應力最大值分別為763.56 MPa和778.38 MPa。這是因為高溫比低溫給予的活化能多，離子交換速率增加，增加離子交換量，形成具有較大壓應力的表面層。但溫度越高，應力松弛也就越嚴重，致使表面壓應力下降[5]。同時，隨著強化時間的延長，玻璃表面壓應力極大值對應的強化溫度趨向于低溫區(qū)。結合生產(chǎn)效率和成本的考慮，優(yōu)選440 ℃，2 h為超薄蓋板玻璃的強化工藝。

2.2 化學增強對超薄蓋板玻璃應力層深度的影響

超薄高堿鋁硅酸鹽玻璃應力層深度隨化學強化條件的變化情況如圖2所示。

圖2表明在相同的化學強化時間下，應力層深度隨強化溫度的升高幾乎呈勻速增加，應力層深度最大值為109.47 μm。這是因為溫度的升高，一方面增加了擴散的活化能，推動了K+—Na+離子的交換；另一方面加速了擴散通道的打開，有利于熔鹽中的K+擴散，形成更厚的應力層。而在相同的強化溫度下，應力層深度隨強化時間的延長而增加。這是由于在離子交換初期，熔鹽中的K+—Na+濃度梯度大，交換動力足，應力層加深很快；隨著時間的延長，玻璃中更多的Na+進入熔鹽中，縮小了K+—Na+濃度差，致使交換速度減緩，表面應力層深度增加幅度變小[6]。

2.3 化學增強對超薄蓋板玻璃的維氏顯微硬度的影響

超薄蓋板玻璃表面增強后的維氏顯微硬度隨化學強化條件的變化情況如圖3所示。

化學強化是利用熔鹽中體積較大的K+取代玻璃表面體積較小的Na+，在玻璃表層的K+與周圍環(huán)境形成“擠塞效應”，宏觀上表現(xiàn)為均勻的壓應力。玻璃表面化學強化后的表面壓應力和應力層深度會嚴重影響玻璃表面的維氏顯微硬度。玻璃表面的維氏顯微硬度值受到表面壓應力、應力層深度和結構松弛的共同作用。

由圖3可看出，當離子交換時間較短時(2 h)，玻璃的維氏顯微硬度和表面壓應力有相同的變化趨勢，隨著溫度的升高CS或HV都先增大后減小。溫度的升高加大了玻璃表面K+的擠塞效應，玻璃的維氏顯微硬度增大；溫度繼續(xù)增大，玻璃表面在較高的溫度下開始發(fā)生結構松弛，表面壓應力增速放緩，出現(xiàn)表面壓應力的最大值，此時結構松弛還較小，玻璃的維氏顯微硬度隨應力層深度的增加而繼續(xù)增大；當溫度升高到480 ℃時，結構松弛造成玻璃表面硬度迅速減小。當離子交換時間為4 h或6 h時，由于離子交換時間過長，玻璃在結構松弛的影響下表面壓應力隨溫度增大持續(xù)降低，玻璃的維氏顯微硬度與表面壓應力有近似的變化趨勢，也隨溫度的升高逐漸減小[7]。

4 結 論

a.表面壓應力隨化學強化溫度和時間的變化規(guī)律為：2 h時，表面壓應力隨溫度的升高先增加后減??；4 h和6 h時，表面壓應力隨溫度的升高而減小。

b.應力層深度隨化學強化溫度和時間的變化規(guī)律為：應力層深度隨溫度的升高而增加，隨時間的延長而增加。

c.強化時間2 h，玻璃表面的維氏顯微硬度和表面壓應力有相同的變化趨勢，隨著溫度的升高CS或HV都先增大后減小。當離子交換時間為4 h或6 h時，在結構松弛的影響下玻璃的維氏顯微硬度與表面壓應力變化規(guī)律相似，也隨溫度的升高逐漸減小。

d.綜合表面壓應力、應力層深度與維氏顯微硬度的考量，文中超薄蓋板玻璃的最佳表面增強工藝條件為440 ℃、2 h，表面增強后的超薄蓋板玻璃表面壓應力為772.09 MPa，應力層深度為41.38 μm，維氏顯微硬度為669.5 MPa，滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。