[发明专利]用于玻璃增强的双阶段离子交换法

说明书

技术领域

本发明属于玻璃强化处理技术领域，提出一种用于玻璃增强的双阶段离子交换法。

背景技术

化学钢化玻璃又称离子交换增强玻璃，其原理就是根据离子的扩散机理来改变玻璃表面的组成，即玻璃表层的半径较小的碱金属离子(A⁺)被熔盐中不同的半径较大的碱金属离子(B⁺)所置换，使玻璃表面产生压应力层，从而达到提高玻璃强度的目的。根据交换离子的类型和离子交换时温度的不同，离子交换可分为高温型(高于玻璃转变点温度)和低温型(低于玻璃转变点温度)两种离子交换法。本发明涉及低温型离子交换法。低温型离子交换就是以熔盐中离子半径大的碱金属离子(B⁺) 置换玻璃中半径小的碱金属离子(A⁺)，使玻璃表面“挤塞”膨胀，产生压应力，从而使玻璃强度提高。

在离子交换过程中，随着熔盐温度的升高，玻璃本身会有膨胀，致使各离子间距离增大，熔盐中半径大的碱金属离子(B⁺)向玻璃内部扩散所受的阻力变小，同时熔盐中的自由离子（B⁺）也获得了较高的扩散能，从而有利于熔盐中的B⁺离子向玻璃内部迁移去置换玻璃中的A⁺离子，因而交换层会越厚即应力层深度就较大。但随着B⁺离子向玻璃内部迁移，相应会减少玻璃表面上B⁺离子的数量，从而削弱了大半径的B⁺离子取代小半径的A⁺离子而在玻璃表面所产生的挤压效应，也就是玻璃的表面应力会较小。如果在较低温度下进行离子交换，则不利于熔盐中的B⁺离子向玻璃内部迁移去置换玻璃中的A⁺离子，结果刚好相反，较多的B⁺离子聚集在玻璃表面，使得玻璃的表面应力较大，而交换层会较薄即应力层深度较小。生产过程中不能一味地追求表面应力而忽略应力层的厚度，如果应力层太薄，一旦有表面损伤穿透应力层，表面应力会大幅度下降，而影响玻璃的强度，所以如何兼顾这两方面是一个重要的课题。

为提高玻璃强度，很多技术人员在离子交换化学强化玻璃方面做过一些探索，如中国专利CN1236670A、CN102503101A、CN1161298C、CN101921054A、CN1162363C中，发明人都分别提供了一种一段式离子交换工艺，但由于如上所述原理，一段式离子交换工艺是不可能在玻璃表面同时得到较高的表面应力和应力层深度的。

申请公开号为CN102137822A提出的“一种用于化学强化玻璃的双阶段离子交换”，采用了双阶段离子交换对碱性铝硅酸盐玻璃进行了化学强化；该专利申请中所用到的玻璃原片为碱性铝硅酸盐玻璃，玻璃原片的成分中含有第一金属离子，所述第一金属离子是鋰、钠、钾和铯中的一种，各离子具有第一离子半径，将所述玻璃原片预热后浸入第一离子交换浴中，所述第一离子交换浴包含大量第二金属离子和第一种浓度的第一金属离子，所述第二金属离子是钠、钾、铯和铷中的一种，各第二金属离子具有第二金属离子半径，第二金属离子半径大于第一金属离子半径。当玻璃原片在第一离子交换浴中放置一段时间后取出，洗净玻璃表面的残余盐，再次预热，后放进第二离子交换浴，所述第二离子交换浴包含大量第二金属离子和第二浓度的第一金属离子，所述第一金属离子的第二浓度小于第一浓度。玻璃中所述大量第一金属离子的一部分被第二金属离子替换，以在玻璃表面区域产生压缩应力。所述第一离子交换浴的温度大于第二离子交换浴的温度，然后通过在不同的离子交换浴中进行离子交换，在玻璃表面形成压缩应力，压缩应力可以达到200Mpa以上，应力层深度可达到50μm以上。