高強度化學強化玻璃、玻璃強化方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于玻璃技術(shù)領域，提供了一種高強度化學強化玻璃，所述高強度化學強化玻璃的至少一面含有離子交換層，所述離子交換層中含有通過離子交換式化學強化工藝進入所述高強度化學強化玻璃內(nèi)部的二價堿土金屬離子；所述離子交換層中還含有通過離子交換式化學強化工藝進入所述高強度化學強化玻璃內(nèi)部的一價堿金屬離子。本發(fā)明還提供了一種玻璃基材的強化方法，包括以下步驟：將待強化玻璃基材置于離子交換鹽浴中，進行離子交換強化，獲得所述的高強度化學強化玻璃。本發(fā)明提供的玻璃基材強化方法，操作簡單，便于工業(yè)化生產(chǎn)。提供的高強度化學強化玻璃具有更大的表面壓應力和離子交換深度，從而具有更高的強度和抗沖擊性能。
【專利說明】
高強度化學強化玻璃、玻璃強化方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明屬于玻璃技術(shù)領域，尤其涉及高強度化學強化玻璃、玻璃強化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 玻璃材料越來越多的應用于電子、汽車、建筑等領域，其優(yōu)越的表面硬度以及結(jié)構(gòu) 強度是玻璃材料的典型特征。目前玻璃行業(yè)中的離子強化玻璃都是基于一價離子交換進行 的，主要的鈉鈣硅玻璃和鋁硅玻璃，均是采用離子半徑較大的鉀離子來交換玻璃中的離子 半徑較小的鈉離子進行交換，在玻璃表面產(chǎn)生550Mpa左右的壓應力。壓應力層深度(也就是 離子交換層深度)可以大約為8_12μπι。其原理是：由于鉀離子的離子半徑為1.38埃，而鈉離 子的離子半徑1.02埃，兩者的離子半徑差為0.36埃，交換之后的離子半徑增加比例為 35.3%，體積增加比例則更大，采用鹽浴中較大的離子來交換玻璃中較小的離子，產(chǎn)生擠壓 效應，從而產(chǎn)生壓應力來增加強度。
[0003] 但是隨著社會的發(fā)展，行業(yè)對玻璃強度的要求也越來越高；單位厚度上的玻璃強 度提高，可以降低玻璃的厚度，從而減輕玻璃的質(zhì)量，對于電動汽車等對于能耗要求高的產(chǎn) 品來說是具備極其重要意義的?，F(xiàn)有的這種離子交換強化產(chǎn)生的玻璃越來越難以滿足行業(yè) 發(fā)展對玻璃強度的要求，目前行業(yè)內(nèi)急需一種強度更高的玻璃。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種高強度化學強化玻璃、一種玻璃基材的 強化方法，旨在提升玻璃強度，滿足行業(yè)發(fā)展對玻璃強度的要求。
[0005] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種高強度化學強化玻璃，所述高強度化學強化玻璃的至 少一面含有離子交換層，所述離子交換層中含有通過離子交換式化學強化工藝進入所述高 強度化學強化玻璃內(nèi)部的二價堿土金屬離子。
[0006] 進一步地，所述離子交換層中還含有通過離子交換式化學強化工藝進入所述高強 度化學強化玻璃內(nèi)部的一價堿金屬離子。
[0007] 進一步地，所述高強度化學強化玻璃的單面表面壓應力為550Mpa~1500Mpa。
[0008] 進一步地，所述離子交換層的單面深度不大于150μηι。
[0009] 進一步地，所述離子交換層中交換產(chǎn)生的一價離子和二價離子的摩爾比為100: 5 ~50〇
[0010] 本發(fā)明還提供了一種玻璃基材的強化方法，包括以下步驟:將待強化的玻璃基材 置于離子交換鹽浴中，以對所述玻璃基材中的一價堿金屬氧化物中的一價堿金屬離子進行 一價離子交換和對所述玻璃基材中的二價堿土金屬氧化物中的二價堿土金屬離子進行二 價離子交換，得到權(quán)利要求1~5所述的高強度化學強化玻璃。
[0011] 進一步地，所述鹽浴的溫度為350~820 °C。
[0012] 進一步地，所述鹽浴包括硝酸鹽或氯化鹽中的至少一種。
[0013] 進一步地，所述鹽浴中，用于交換玻璃基材中一價鋰離子的材料為硝酸鈉、硝酸 鉀、氯化鈉、氯化鉀中的至少一種；用于交換玻璃基材中一價鈉離子的材料為硝酸鉀、硝酸 銣、氯化鉀、氯化銣中的至少一種；用于交換玻璃基材中二價鎂離子的材料為硝酸鈣、硝酸 鍶、硝酸鋇、氯化鈣、氯化鍶、氯化鋇中的至少一種；用于交換玻璃基材中二價鈣離子的材料 為硝酸鍶、硝酸鋇、氯化鍶、氯化鋇中的至少一種。
[0014] 進一步地，所述離子交換過程中，交換進入玻璃基材中的離子的半徑大于從玻璃 基材中被交換出來的同價位離子的半徑。
[0015] 進一步地，所述一價離子交換和二價離子交換為同時進行或分步進行。
[0016]進一步地，所述玻璃基材中一價堿金屬氧化物和二價堿土金屬氧化物的摩爾比為 100:10~75〇
[0017]進一步地，所述一價堿金屬氧化物在所述玻璃基材中的質(zhì)量含量為5 %~25% ;所 述一價堿金屬氧化物包括氧化鋰、氧化鈉、氧化鉀、氧化銣、氧化銫和氧化紡中的至少一種。 [0018]進一步地，所述二價堿土金屬氧化物在所述玻璃基材中的質(zhì)量含量為1%~18% ; 所述二價堿土金屬氧化物包括氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇和氧化鐳中的至少 一種。
[0019] 進一步地，所述玻璃基材中還包括40~65%質(zhì)量含量的二氧化硅，以及10~35% 質(zhì)量含量的其他氧化物。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:本發(fā)明提供的玻璃基材中同時含有可參 與進行離子交換式化學強化工藝的一價堿金屬離子和二價堿土金屬離子，將這種玻璃基材 進行離子交換強化時，采用二價離子取代或補充一價離子交換。交換之后的離子半徑增加 比例顯著高于現(xiàn)有技術(shù)中一價離子交換的比例，二價離子交換產(chǎn)生的離子體積增加比例則 要比一價離子交換的更大。因此由二價離子交換強化玻璃的方法獲得的高強度化學強化玻 璃具有更大的表面壓應力和離子交換深度，從而具有更高的強度和抗沖擊性能。本發(fā)明提 供的玻璃基材強化方法，操作簡單，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0022] 玻璃強化是一種玻璃二次加工工藝，一般是指通過改變玻璃表面的化學組成來提 高玻璃的強度，一般是應用離子交換法進行強化。離子交換強化的原理是通過離子交換在 玻璃表面形成壓應力層而提高玻璃強度，玻璃內(nèi)部的小半徑堿金屬離子與熔鹽中的大半徑 堿金屬離子發(fā)生交換，在玻璃表面產(chǎn)生擠塞現(xiàn)象，形成表面壓應力層。這對玻璃中堿金屬的 含量有一定的要求，其中離子交換的數(shù)量和交換層的深度是增強效果的關(guān)鍵指標，玻璃的 強度還受表面質(zhì)量和邊部加工質(zhì)量的影響。
[0023] 按照本發(fā)明的技術(shù)方案制備高強度化學強化玻璃：
[0024] 首先制備一種適用于化學離子交換法強化的玻璃基材，其組分含有可參與進行離 子交換式化學強化工藝的二價堿土金屬氧化物。所述玻璃基材還可含有可參與進行離子交 換式化學強化工藝的一價堿金屬氧化物，其中一價堿金屬氧化物和二價堿土金屬氧化物的 摩爾比為100:10~75;優(yōu)選為100:15~60。
[0025]具體地，一價堿金屬氧化物在玻璃基材中的含量為5 %~25 % ;優(yōu)選為12 %~ 20 %。一價堿金屬氧化物包括氧化鋰、氧化鈉、氧化鉀、氧化銣、氧化銫和氧化紡中的至少一 種。二價堿土金屬氧化物在玻璃基材中的含量為1 %~18 % ;優(yōu)選為3%~15%。二價堿土金 屬氧化物包括氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇和氧化鐳中的至少一種。此外，玻璃 基材的組分還包括50~70 %質(zhì)量含量的二氧化娃，以及10~35 %質(zhì)量含量的其他氧化物。 [0026]制備本發(fā)明提供的玻璃基材的強化方法，步驟為:將上述玻璃基材置于離子交換 鹽浴中，以對玻璃基材中的一價堿金屬氧化物中的一價堿金屬離子進行一價離子交換強化 和對二價堿土金屬氧化物中的二價堿土金屬離子進行二價離子交換強化，制得本發(fā)明的高 強度化學強化玻璃。
[0027] 具體地，所述鹽浴包括硝酸鹽或氯化鹽中的至少一種。其中，用于交換玻璃中一價 鋰離子的鹽材料為硝酸鈉、硝酸鉀、氯化鈉、氯化鉀中的至少一種；用于交換玻璃中一價鈉 離子的材料為硝酸鉀、硝酸銣、氯化鉀、氯化銣中的至少一種；用于交換玻璃中二價鎂離子 的材料為硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸鋇、氯化鈣、氯化鍶、氯化鋇中的至少一種；用于交換玻璃中 二價鈣離子的材料為硝酸鍶、硝酸鋇、氯化鍶、氯化鋇中的至少一種。
[0028] 具體地，在離子交換強化過程中，交換進入玻璃基材中的離子的半徑大于從玻璃 中被交換出來的同價位離子;其中的一價離子交換和二價離子交換可同時進行，也可根據(jù) 需求分步進行。
[0029] 具體地，鹽浴的溫度為350~820°C;優(yōu)選為400~600°C。離子交換強化的時間為 3min~15h，不同厚度的玻璃基材，強化的時間不同。0.2mm厚的超薄玻璃的強化時間為 3min; 3mm厚的玻璃的強化時間為15h;這一強化時間可根據(jù)玻璃厚度和需求不同而進行調(diào) 整。
[0030] 具體地，制得的高強度化學強化玻璃的單面表面壓應力為550Mpa~1500Mpa，優(yōu)選 550Mpa~1200Mpa;進行離子交換強化的單面離子交換層的深度不大于150μηι，優(yōu)選為8-150 4111，更優(yōu)選為35-15(^111。離子交換層中交換產(chǎn)生的一價離子和二價離子的摩爾比值為100:5 ~50;優(yōu)選為100:5~30。
[0031 ]本發(fā)明的高強度化學強化玻璃的特點：強度高，應力均勻，無自爆現(xiàn)象;不存在變 形，表面平整度好，不產(chǎn)生光畸變;抗熱沖擊能力強;可作切裁、鍍膜、夾膠等再加工;不受玻 璃厚度、產(chǎn)品形狀的限制，特別適合薄玻璃、異型玻璃制品的增強。
[0032]本發(fā)明采用二價離子取代或補充一價離子交換，能夠產(chǎn)生更大的表面壓應力從而 更進一步提高玻璃的強度。根本原理在于:二價離子的離子半徑為，鈹:0.45埃、鎂:0.72埃、 鈣：1.00埃、鍶：1.18埃、鋇：1.35埃、鐳：1.48埃。例如，采用鹽浴中的鋇來交換玻璃中的鎂， 兩者的半徑差為0.63埃，交換之后的離子半徑增加比例為87.5%，要大大的高于一價離子 交換的比例，二價離子交換產(chǎn)生的離子體積增加比例則要比一價離子交換更大。因此二價 離子交換強化玻璃的方法為玻璃基材帶來更大的表面壓應力和離子交換深度，從而大大的 提高了玻璃的強度和抗沖擊性能。
[0033]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。
[0034] 實施例
[0035]按表1中的質(zhì)量含量比數(shù)據(jù)（％ )，稱取下列各原料粉末;將以上所有原料混合之 后，放入鉑金坩堝在1600-1800 °C的溫度下熔化，徐冷后澆注成型，在550-650 °C退火即可制 成本發(fā)明的玻璃基材。
[0036]表1 「00371
[0038] 取以上制備的玻璃基材，通過以下冷加工步驟:切片、細磨、磨邊、倒角、拋光;清洗 后插入不銹鋼架內(nèi)，分別放入鹽浴內(nèi)進行一次或多次離子交換，然后放入密閉容器內(nèi)緩冷 至室溫;取出強化后的玻璃樣品，清洗后進行表面應力值、離子交換深度的測量，再進行抗 彎強度測試。具體的鹽浴的成分、離子交換的次數(shù)和工藝參數(shù)條件和以上實施例的測試結(jié) 果如下表2:
[0039] 表 2
[0040]
[0042] 說明以上玻璃成分比重為wt%;
[0043] *測試玻璃尺寸為：110*60*0.8mm; 3點彎曲參數(shù)為:跨距40mm、刀具直徑6mm、加載 速度 10mm/min;
[0044] *表面壓應力值以及表面壓應力深度采用日本Orihara FSM6000型表面應力儀測 量獲得。
[0045] 將本實施例的玻璃基材以及進行離子交換強化之后的玻璃分別做X熒光定性分 析，測量其組分的質(zhì)量含量（％)，根據(jù)測量值補償后的結(jié)果如下表3:
[0046] 表 3
[0047]
[0048]從成分分析表上可以看出：在強化之前的玻璃基材中含有堿金屬尚子氧化物Na2〇 和堿土金屬氧化物MgO，不含有堿金屬離子K+和堿土金屬離子Ba2+，但在離子交換之后，離子 交換鹽浴中的金屬離子K+和堿土金屬離子Ba2+都參與了離子交換進入到玻璃基材中。
[0049] K+離子半徑為1.38埃，而Na+離子半徑1.02埃，兩者的離子半徑差為0.36埃，交換之 后的離子半徑增加比例為35.3% ;Ba2+離子半徑為1.35埃，Mg2+離子半徑為0.72埃，兩者的 半徑差為0.63埃，交換之后的離子半徑增加比例為87.5%;二價堿土金屬離子的交換產(chǎn)生 的離子體積增加比例則要比一價離子交換產(chǎn)生的更大，為玻璃基材帶來更大的表面壓應力 和離子交換深度，從而顯著提高了玻璃基材的強度和抗沖擊性能，獲得了高強度化學強化 玻璃。
[0050]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種高強度化學強化玻璃，其特征在于，所述高強度化學強化玻璃的至少一面含有 離子交換層，所述離子交換層中含有通過離子交換式化學強化工藝進入所述高強度化學強 化玻璃內(nèi)部的二價堿土金屬離子。2. 如權(quán)利要求1所述的高強度化學強化玻璃，其特征在于，所述離子交換層中還含有通 過離子交換式化學強化工藝進入所述高強度化學強化玻璃內(nèi)部的一價堿金屬離子。3. 如權(quán)利要求1或2所述的高強度化學強化玻璃，其特征在于，所述高強度化學強化玻 璃的單面表面壓應力為550Mpa~1500Mpa。4. 如權(quán)利要求1或2所述的高強度化學強化玻璃，其特征在于，所述離子交換層的單面 深度不大于150μηι。5. 如權(quán)利要求2所述的高強度化學強化玻璃，其特征在于，所述離子交換層中交換產(chǎn)生 的一價離子和二價離子的摩爾比為100:5~50。6. -種玻璃基材的強化方法，其特征在于，包括以下步驟:將待強化的玻璃基材置于離 子交換鹽浴中，以對所述玻璃基材中的一價堿金屬氧化物中的一價堿金屬離子進行一價離 子交換和對所述玻璃基材中的二價堿土金屬氧化物中的二價堿土金屬離子進行二價離子 交換，得到權(quán)利要求1~5所述的高強度化學強化玻璃。7. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述鹽浴的溫度為350~820Γ。8. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述鹽浴包括硝酸鹽或氯化鹽中的至少 一種。9. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述鹽浴中，用于交換玻璃基材中一價 鋰離子的材料為硝酸鈉、硝酸鉀、氯化鈉、氯化鉀中的至少一種；用于交換玻璃基材中一價 鈉離子的材料為硝酸鉀、硝酸銣、氯化鉀、氯化銣中的至少一種；用于交換玻璃基材中二價 鎂離子的材料為硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸鋇、氯化鈣、氯化鍶、氯化鋇中的至少一種；用于交換 玻璃基材中二價鈣離子的材料為硝酸鍶、硝酸鋇、氯化鍶、氯化鋇中的至少一種。10. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述離子交換過程中，交換進入玻璃基 材中的離子的半徑大于從玻璃基材中被交換出來的同價位離子的半徑。11. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述一價離子交換和二價離子交換為 同時進行或分步進行。12. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述玻璃基材中一價堿金屬氧化物和 二價堿土金屬氧化物的摩爾比為100:10~75。13. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述一價堿金屬氧化物在所述玻璃基 材中的質(zhì)量含量為5%~25% ;所述一價堿金屬氧化物包括氧化鋰、氧化鈉、氧化鉀、氧化 銣、氧化銫和氧化鈁中的至少一種。14. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述二價堿土金屬氧化物在所述玻璃 基材中的質(zhì)量含量為1 %~18 % ;所述二價堿土金屬氧化物包括氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧 化鍶、氧化鋇和氧化鐳中的至少一種。15. 如權(quán)利要求6所述的強化方法，其特征在于，所述玻璃基材中還包括40~65%質(zhì)量 含量的二氧化硅。
【文檔編號】C03C21/00GK105837031SQ201610121929
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月3日
【發(fā)明人】胡偉, 王鈺, 陳芳華, 常瑞荊
【申請人】深圳市力灃實業(yè)有限公司