專利名稱：高溫處理離子交換提高玻璃強度及降低強度分散性的方法以及一種增強玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于玻璃材料領(lǐng)域，涉及一種玻璃增強技術(shù)，具體涉及通過離子交換提高 玻璃強度及降低強度分散性的方法以及該方法獲得的增強玻璃。
背景技術(shù)：
玻璃因具有透光性能好，加工成型工藝簡單而被廣泛應(yīng)用建筑，汽車，航空及航天 等領(lǐng)域。玻璃因表面存在微裂紋，實際強度比理論強度低2 3數(shù)量級，一般只有100 200MPa。為了提高玻璃的強度，人們采用離子交換的方法，將玻璃的Na+與KNO3熔鹽中的K+ 進行交換。由于K+的半徑比Na+的大，玻璃表面產(chǎn)生應(yīng)力層。外力首先必須克服應(yīng)力才能 使玻璃最終破壞，因此提高了玻璃的強度。由于玻璃是脆性材料，相同處理工藝樣品的強度分散在一定范圍內(nèi)。離散系數(shù)是 表征其分散度的參量。離散系數(shù)越小，玻璃強度的穩(wěn)定性越好。經(jīng)過離子交換后，雖然玻璃 的強度提高了，但是強度的離散系數(shù)還是比較大。一般為20 50%，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來極大 不便。為了提高玻璃的強度及穩(wěn)定性，Green采用兩步離子交換法成功制造出了造出了 強度高，分散性小的玻璃(D J Green,R Tandon,V M Sglavo. Crack arrest and multiple cracking in glass through the use of designed residualstress profiles[J]. Science, 283 (1999) 1295. ) 0兩步離子交換法對玻璃表面應(yīng)力分布進行設(shè)計制備增強玻 璃，其過程是在Tg以下先進行比較長時間的高溫處理，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度的同時，減小了強度的分散性，通過對應(yīng)力分布的設(shè)計 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展或者穩(wěn)定擴 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(S J Glass, E K Beauchamp, CNewton, et al. Strength, fracture behavior and stress profiles for engineered stress profiIe (ESP)glass[A]. 102nd Annual Meeting of the American CeramicSociety,2000.)。Green等兩步離子交換法工藝過程是第一步，以KNO3熔鹽為交換介質(zhì)，在500°C 處理24h ；第二步，以30% (摩爾分數(shù)，下同)NaNO3, 70% KNO3混合熔鹽為交換介質(zhì)，在 400°C處理0. 5h。工藝過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；工藝過程中第二步可以將玻璃表面的部分K+重新交換出來，將最大應(yīng)力值向玻璃內(nèi) 部移動。兩步離子交換工藝在一定條件下可獲得分散性小的玻璃，但由于兩步法中涉及使 用KN03/NaN03混合熔鹽，熔鹽的混合比例受到嚴格控制，熔鹽的更換也給工藝制造帶來不 便，同時增加了成本，兩步法存在工藝較為復(fù)雜的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝簡單的高溫處理離子交換提 高玻璃強度及降低強度分散性的方法。本發(fā)明高溫處理離子交換提高玻璃強度及降低強度分散性的方法，將玻璃原片在 450°C下，置于離子交換介質(zhì)中處理16小時，得到離子交換玻璃，然后，所述離子交換玻璃 再在300 350°C下空氣中加熱處理0. 5 2. 5小時，然后自然冷卻。其中，所述離子交換介質(zhì)按重量由97 %工業(yè)純ΚΝ03、0. 5 % A1203、2 % K2CO3和0. 5 % KOH組成。更具體的，所述離子交換玻璃在320 350°C下加熱處理0. 5 2. 0小時；或者 所述離子交換玻璃在325 350°C下加熱處理0. 5 1. 5小時；或者所述離子交換玻璃在 320 325°C下加熱處理1. 5 2. 0小時；或者所述離子交換玻璃在300 325°C下處理 1. 5 2. 5小時。最好所述離子交換玻璃在325°C下加熱處理1. 5小時。以上提高玻璃強度及降低強度分散性方法中的專用離子交換介質(zhì)也屬于本發(fā)明內(nèi) 容，其為按重量由97%工業(yè)純KN03、0. 5%A1203>2% 1(20)3和0. 5% KOH組成的離子交換熔鹽。通過以上所述方法處理得到的增強玻璃也屬于本發(fā)明內(nèi)容。該增強玻璃，的玻璃 雙環(huán)強度大于570MPa，且離散系數(shù)小于20%。本發(fā)明所采用的高溫處理提高離子交換玻璃強度及降低強度分散性的方法，克服 了混合熔鹽兩步法的工藝復(fù)雜問題，工藝簡單，增強效果好，可用在實際的產(chǎn)品生產(chǎn)中。本 發(fā)明不涉及熔鹽中KN03/NaN03配比等問題，處理工藝簡單，成本降低。處理后的玻璃強度 高，穩(wěn)定性好，隨著高速列車，飛機等的飛速發(fā)展，對風(fēng)擋玻璃強度要求也越來越高，本發(fā)明 在安全玻璃領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
具體實施例方式將玻璃清洗干凈并烘干后，在450°C下，置于離子交換介質(zhì)(熔鹽)中處理16小 時，從離子交換介質(zhì)中取出得到離子交換玻璃；再將該離子交換玻璃直接置于馬弗爐中，在 空氣中300 350°C下高溫加熱處理0. 5 2. 5小時，然后自然冷卻。本發(fā)明中，離子交換介質(zhì)按重量由97%工業(yè)純KNO3及添加劑0.5% Al2O3，2% K2CO3,0. 5% KOH 組成。采用雙環(huán)法測試玻璃的抗彎強度，用Weibull函數(shù)對強度分布進行分析。表1為 不同處理溫度及處理時間玻璃的強度及離散系數(shù)比較。表1不同處理溫度及處理時間玻璃的強度及離散系數(shù)比較 實驗結(jié)果表明離子交換玻璃在300 350°C下處理一定時間能使玻璃強度提高，分散性下降。由表1可知，離子交換16小時的玻璃強度為554MPa，離散系數(shù)為28.5%。離 子交換玻璃在300 350°C下處理0. 5 2. 5小時后，玻璃強度有不同程度的上升。隨著處 理溫度的提高，玻璃強度提高所需的處理時間減小。300°C處理2. 5小時后，玻璃強度提高 24MPa，離散系數(shù)減小10%。325°C處理1. 5小時后，玻璃強度提高最明顯，增加了 50MPa，離 散系數(shù)減小至11.4%。由此可見，離子交換玻璃再經(jīng)過高溫(300 350°C)處理，不但提 高了玻璃的強度，而且提高玻璃的穩(wěn)定性。另一方面，與Green兩步法工藝比較，無需更換 離子交換介質(zhì)，簡化了操作過程，同時也節(jié)約了成本，并達到了類似的處理效果。
分析本發(fā)明的機理，根據(jù)離子交換增強的原理，玻璃表面應(yīng)力與K+的濃度有關(guān)。未 經(jīng)過高溫處理的玻璃K+濃度最大值在玻璃表面，K+沿離子交換方向逐漸降低。高溫處理 后，玻璃表面的K+濃度減小，最大濃度向玻璃內(nèi)部移動，處理的溫度越高，K+向內(nèi)部擴散越 快。相應(yīng)地，應(yīng)力最大值向玻璃內(nèi)部移動，使得玻璃對表面微裂紋不敏感，玻璃強度提高，分 散性減小。
權(quán)利要求
一種高溫處理離子交換提高玻璃強度及降低強度分散性的方法，將玻璃原片在450℃下，置于離子交換介質(zhì)中處理16小時，得到離子交換玻璃，其特征在于，所述離子交換玻璃再在300～350℃下空氣中加熱處理0.5～2.5小時，然后自然冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述離子交換介質(zhì)按重量由97%工業(yè)純 ΚΝ03、0. 5% Al203>2% K2CO3 和 0. 5% KOH 組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述離子交換玻璃在320 350°C下 加熱處理0.5 2.0小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述離子交換玻璃在325 350°C下 加熱處理0. 5 1. 5小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述離子交換玻璃在320 325°C下 加熱處理1.5 2.0小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述離子交換玻璃在300 325°C下 處理1. 5 2. 5小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述離子交換玻璃在325°C下加熱處 理1. 5小時。
8.—種權(quán)利要求1至7任一提高玻璃強度及降低強度分散性方法中的專用離子交換介 質(zhì)，按重量由 97%工業(yè)純 ΚΝ03、0. 5% Al203>2% K2CO3 和 0. 5% KOH 組成。
9.一種增強玻璃，由權(quán)利要求1至7任一所述方法處理得到。 根據(jù)權(quán)利要求9所述增強玻璃，其特征在于，玻璃雙環(huán)強度大于570MPa，離散系數(shù) 小于20%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高溫處理離子交換提高玻璃強度及降低強度分散性的方法以及一種增強玻璃，屬于玻璃增強技術(shù)領(lǐng)域。該方法將玻璃原片在450℃下，置于離子交換介質(zhì)中處理16小時，得到離子交換玻璃后，再在300～350℃下空氣中處理0.5～2.5小時，然后自然冷卻。該離子交換介質(zhì)由97％工業(yè)純KNO3及添加劑0.5％Al2O3，2％K2CO3，0.5％KOH組成。本發(fā)明離子交換玻璃的玻璃強度高，強度分散性低，且工藝簡單，處理成本低，所提供的增強玻璃可以用作高速列車、飛機等的風(fēng)擋玻璃。
文檔編號C03C21/00GK101921067SQ20101024491
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者吳云龍, 張保軍, 李文才, 許杰, 趙芳紅, 馬眷榮 申請人:中國建筑材料科學(xué)研究總院