[发明专利]变温两步法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

在玻璃制造领域，通常利用离子交换来提高玻璃强度。传统的单步离子交换玻璃应力层厚度小，应力最大值处于玻璃表面比较浅的位置。缺陷的存在使玻璃在受力时容易从缺陷处快速扩展，降低了玻璃的强度，同时增加了玻璃强度的分散性。

近年来，Green等(D J Green，R Tandon，V M Sglavo.Crack arrest andmultiple cracking in glass through the use of designed residual stress profiles[J].Science，283(1999)1295.)采用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。

Green等首先以钠铝硅玻璃为原料，采用两步离子交换法成功制造出了强度高、分散性小的ESP玻璃。其工艺过程是：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。Abrams等(M BAbrams，D J Green，S J Glass.Fracture behavior of engineered stress profile sodalime silicate glass[J].J Non-Cryst Solids，321(2003)10.)报道了钠钙硅玻璃两步离子交换。由于钠钙硅玻璃的T_g相对低一些，处理温度也相应降低，以减少应力松弛对强度的不利影响；同时钠钙硅玻璃的互扩散系数比较小，需要更长的 交换时间以满足要求。由于上述几种方法均涉及使用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。

于是，Shen等(J Shen，D J Green.Variable-temperature ion-exchangedengineered stress profile(ESP)glass[J].J Am Ceram Soc，86(2003)1979.)提出了变温两步法离子交换，即在传统的离子交换前增加一道高温快速离子交换工序，使用KNO₃作为熔盐在550℃下进行快速离子交换15min，然后在475℃下进行离子交换处理18h。但是，该方法由于两步处理温度比较高，造成玻璃强度不高等问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，采用变温两步法提供一种离子交换提高玻璃强度及降低玻璃强度分散性的方法。

一种变温两步法离子交换提高玻璃强度及降低强度分散性的方法，将玻璃原片分别依次在高温和低温下在离子交换介质中进行处理，高温处理温度范围为490℃～510℃，处理时间为0.5h～1h；低温处理温度范围为400℃～420℃，处理时间为48h～72h。

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。

所述高温处理在高温槽中进行，所述低温处理在低温槽中进行，高温槽和低温槽中均装有所述离子交换介质。采用加热丝的排布位置不同实现所述高温槽和低温槽的加热温差。