增加玻璃強度的方法有哪些？

玻璃最早用於裝飾物品是在公元前30 0 0 年的埃及和近東地區。後來人們發明模壓成型制作成玻璃器皿。現在，玻璃因其光學透過性能好，制造成本低，工藝控制簡單及易加工型等，被廣泛應用於農業，交通，電子，航空及航天等領域。但是由於玻璃的本質脆性及低強度限制了其進壹步發展。強度是指材料抵抗破壞或失效的能力。從力學角度分析，強度是指材料在壹定載荷作用下發生破壞時的最大應力值。對於脆性材料，斷裂強度最能反映它的力學性能。斷裂必須克服固體的內聚力，原子鍵必須斷開，材料的理論強度恰恰是原子鍵能的壹種反映。根據化學鍵的結合強度計算，玻璃的理論強度為E /IO 的數量級。那麽照此推算玻璃的強度應該約為7 0 0 0 M P a 。但在現實應用中，玻璃的實際強度只有8 0 ~10 0 M P a ，比理論強度低2~3個數量級。實際強度和理論強度的巨大差距是由於玻璃中存在微裂紋所導致的。影響玻璃實際強度的因素很多: 如存放環境( 如溫度、濕度、氣氛、存放的時間等)、表面機械加工、樣品尺寸、加載速度、機械劃傷以及內部不均勻性( 氣泡、結石)等，其中表面微裂紋的存在對玻璃實際強度影響最大。由於很多應用都需要高強度的玻璃，因此提高玻璃的強度是解決問題的關鍵。為了提高玻璃的力學性能，研究人員探討了許多不同的方法。其中表面處理，如物理鋼化，化學鋼化，酸處理及塗層等，是最常見的幾種方法。2提高玻璃強度的方法2. 1物理鋼化利用物理原理在玻璃表面預制壓應力層的方法稱為物理增強法或者物理鋼化。將玻璃加熱到乃溫度以上，然後使熱的玻璃表面均勻的快速冷卻，表面的熱狀態結構被凍結，當玻璃內部逐漸降溫時，先冷卻的外表面層就會制約內部的收縮，於是在玻璃表面產生壓應力，在玻璃內部形成拉應力。物理增強的優點是成本低，產量大，具有較高的機械強度、耐熱沖擊性( 最大安全工作溫度可達28 7 . 7 8 ℃)和較高的耐熱梯度( 能經受20 4 . 4 4 ℃)，但是對玻璃的厚度和形狀有壹定的要求，不能鋼化2咖以下的玻璃樣品，不能加工復雜零構件，同時還存在鋼化過程中玻璃變形的問題，無法在光學質量要求較高的領域內應用。另外，物理鋼化後的玻璃不能切割加工等，有可能存在自爆現象。2. 2化學鋼化2 6 7 2009 年中國玻璃行業年會暨技術研討會論文集利用化學方法在玻璃表面預制壓應力層的方法稱為化學增強法，又稱離子交換增強法。化學增強法是19 6 0 年由R e se a r e hC o rp o ra tio n 最早申請了英國專利。離子交換增強的原理是: 根據離子擴散的機理米改變玻璃的表面組成，在壹定的溫度F 把玻璃浸入到高溫熔鹽中，玻璃中的堿金屬離子與熔鹽中的堿金屬離子因擴散而發生相互交換，產生“擠塞” 現象，使玻璃表面產生壓縮應力，從而提高玻璃的強度。離子交換增強技術分高溫型和低溫犁兩種。低溫離子交換是指在低於玻璃應變點溫度以下，玻璃中的小半徑堿金屬離子N a + 與熔鹽中的人半徑堿金屬離子K + 進行交換，產生擠塞現象從而增強玻璃表面。 19 62年K istler以矽酸鹽玻璃為原料首先進行了K ＇- N a ’ 離子交換增強研究。高溫型離子交換則是玻璃中的大半徑堿金屬離子N a + 、 K + 與熔鹽中的小半徑堿金屬離子L i+ 進行交換，產生低膨脹表面層而達到增強的目的。由於人部分的玻璃含鈉玻璃，因此很多研究集中在低溫離子交換的原理及應用。離子交換增強玻璃的特點是強度高，應力均勻，穩定性好，無自爆現象，可切裁加工，不變形，不產生光畸變，適用於形狀復雜、厚度較小的玻璃制品的增強。到目前為止，離子交換增強是強化3m m 以下異型薄玻璃的唯壹有效的方法。離子交換增強玻璃性能優異，主要應用於宇宙飛船、軍用飛機、高速列車、戰鬥車輛、艦船風擋和側窩等高技術領域。雖然單步離子交換可以提高玻璃的強度，但是強度的分散性還是比較大。另外，離子交換增強只適用於含堿金屬玻璃，對於其他玻璃不能利用這種方法增強。離子交換所用的硝酸鉀廢棄鹽的處理給環境帶來不利。此外，清洗離子交換玻璃也需要大量的水，因此，成本高，不利於強化普通用途的玻璃。’2. 3酸處理除了應力增強處理外，還可以利用酸腐蝕的方法去除表面微裂紋。酸腐蝕的原理是通過酸侵蝕除去玻璃表面裂紋層或使裂紋尖端鈍化，減小應力集中，以恢復玻璃固有的高強特性。由於酸洗是除去表面微裂紋，所以必須選擇強侵蝕能力的酸，如氫氟酸。但單用氫氟酸不容易得到光滑的表面，侵蝕後產生的鹽類都附著在玻璃的表面，為了除去鹽類，需在氫氟酸中加入硫酸、磷酸和硝酸等強酸。平板玻璃經酸腐蝕後，強度可達到8 0 010 0 0 M P a 。但是酸處理後的玻璃表面極為脆弱，很容易受到外界環境的侵蝕，表面硬度降低，強度不能有效保持。此外，酸腐蝕玻璃不耐高溫處理，經高溫腐蝕後強度急劇下降。2. 4 塗層保護隨著能源成本的提高，采用塗層增強玻璃是經濟節能的有效方法。人們采用不同的方法制備了不同的塗層，如溶膠壹凝膠矽塗層，有機壹無機復合塗層，環氧樹脂塗層以及有機矽改性塗層。這些塗層都可以提高玻璃的力學性能。研究人員建立了不同的理論來解釋塗層的增強效應。有人提出玻璃表面裂紋的填充及部分填充時溶膠壹凝膠塗層的增強機理。另外，泊松抑制效應被認為是環氧塗層的增強機制。但是，最新研究則認為玻璃與塗層的熱膨脹系數差異產生的閉合應力是解釋玻璃強度提高的合理模型。塗層雖然制造工藝簡單，成本低，但是塗層容易受到外部環境的影響。塗層壹旦受到破壞，玻璃強度將明顯下降。這是制約塗層發展的原因之壹。3 結語普通玻璃強度的提高壹直是玻璃深加工研究人員關註的焦點。對於不同用途的玻璃可以根據設計要求采用不同的增強方法。另外，對於特殊用途的玻璃呵以采用結合傳統增強工藝的辦法提高強度。