[发明专利]高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法以及一种增强玻璃

说明书

技术领域

本发明属于玻璃材料领域，涉及一种玻璃增强技术，具体涉及通过离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法以及该方法获得的增强玻璃。

背景技术

玻璃因具有透光性能好，加工成型工艺简单而被广泛应用建筑，汽车，航空及航天等领域。玻璃因表面存在微裂纹，实际强度比理论强度低2～3数量级，一般只有100～200MPa。为了提高玻璃的强度，人们采用离子交换的方法，将玻璃的Na⁺与KNO₃熔盐中的K⁺进行交换。由于K⁺的半径比Na⁺的大，玻璃表面产生应力层。外力首先必须克服应力才能使玻璃最终破坏，因此提高了玻璃的强度。

由于玻璃是脆性材料，相同处理工艺样品的强度分散在一定范围内。离散系数是表征其分散度的参量。离散系数越小，玻璃强度的稳定性越好。经过离子交换后，虽然玻璃的强度提高了，但是强度的离散系数还是比较大。一般为20～50％，给结构设计带来极大不便。

为了提高玻璃的强度及稳定性，Green采用两步离子交换法成功制造出了造出了强度高，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.)。两步离子交换法对玻璃表面应力分布进行设计制备增强玻璃，其过程是在T_g以下先进行比较长时间的高温处理，然后在低温下做短暂处理。研究发现：两步离子交换法在提高玻璃强度的同时，减小了强度的分散性，通过对应力分布的设计可以使玻璃在断裂前有明显的多裂纹存在，即玻璃中的裂纹有可能被阻止扩展或者稳定扩展。这种玻璃具有广泛的工程应用前景，因此，被命名为工程应力分布(engineered stress profile，ESP)玻璃(S J Glass，E K Beauchamp，CNewton，et al.Strength，fracture behavior and stress profiles for engineered stress profile(ESP)glass[A].102^nd Annual Meeting of the American CeramicSociety，2000.)。

Green等两步离子交换法工艺过程是：第一步，以KNO₃熔盐为交换介质，在500℃处理24h；第二步，以30％(摩尔分数，下同)NaNO₃，70％ KNO₃混合熔盐为交换介质，在400℃处理0.5h。工艺过程中第一步主要是熔盐中的K⁺取代玻璃中的Na⁺，获得比较深的应力层；工艺过程中第二步可以将玻璃表面的部分K⁺重新交换出来，将最大应力值向玻璃内部移动。

两步离子交换工艺在一定条件下可获得分散性小的玻璃，但由于两步法中涉及使用KNO₃/NaNO₃混合熔盐，熔盐的混合比例受到严格控制，熔盐的更换也给工艺制造带来不便，同时增加了成本，两步法存在工艺较为复杂的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单的高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法。

本发明高温处理离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法，将玻璃原片在450℃下，置于离子交换介质中处理16小时，得到离子交换玻璃，然后，所述离子交换玻璃再在300～350℃下空气中加热处理0.5～2.5小时，然后自然冷却。

其中，所述离子交换介质按重量由97％工业纯KNO₃、0.5％Al₂O₃、2％K₂CO₃和0.5％KOH组成。

更具体的，所述离子交换玻璃在320～350℃下加热处理0.5～2.0小时；或者所述离子交换玻璃在325～350℃下加热处理0.5～1.5小时；或者所述离子交换玻璃在320～325℃下加热处理1.5～2.0小时；或者所述离子交换玻璃在300～325℃下处理1.5～2.5小时。最好所述离子交换玻璃在325℃下加热处理1.5小时。