超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲问题

何少亭 智明

内容摘要：离子强化是增强玻璃机械力学性能的重要手段之一，对于超薄浮法玻璃而言，其经过离子强化后会出现翘曲的问题，限制了超薄浮法玻璃的应用和发展，通过分析超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲问题的影响因素，总结了超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲问题的研究现状。

关键词：超薄浮法玻璃 离子强化 翘曲

引言：随着时代高科技产业的飞速发展，市场对超薄玻璃的需求日益上升。智能手机、平板电脑等设备不断普及，显示器件如 LCD、OLED、触摸屏等用的基板玻璃呈现出薄型化和轻量化的趋势。但超薄化的同时也带来显而易见的弊端，玻璃的力学性能会随着厚度质量的减小而下降，杂质、缺陷等一系列降低玻璃强度的负面因素都会被放大。为了能够满足基板玻璃的使用要求，必须使得基板薄玻璃在小的厚度下仍具有高的力学强度。因此需要对玻璃进行强化。化学钢化能够保证玻璃钢化后的较好的热稳定性和光学质量，产品不易变形且可进行适当的切裁、磨边、钻孔等冷加工。化学钢化设备简单，产品容易实现，是超薄玻璃唯一实用的增强技术。玻璃的化学钢化是利用玻璃表面离子的迁移和扩散特性，使玻璃的表面层区域的成分发生变化，导致玻璃表面的微裂纹消失或者在玻璃表面形成压应力层，从而使玻璃的机械强度和热稳定性得到提高。经化学钢化处理后的玻璃强度通常要比普通玻璃的强度提高几倍甚至十几倍。

一、玻璃变形的产生机理

应力的存在使材料发生变形。由于材料的变形而消除一部分应力，应力不对称于板的中心线分布一边处于高压应力下，另一边处于高张应力下，玻璃必然发生变形，材料最后达到应力和变形平衡。浮法玻璃在退火过程中可能产生的热应力有永久应力和暂时应力两种。永久应力是当高温玻璃经退火到室温并达到温度均衡后，玻璃中仍然存在的热应力。玻璃中永久应力的成因是由于在高温时热弹性应力松弛而形成的温度变形被“冷冻”下来 的缘故。暂时应力是随温度梯度的存在而存在，随温度梯度的消失而消失的热应力，暂时应力的大小 取决于玻璃中的温度梯度，又与玻璃的热膨胀系数有关。在退火区域中，玻璃的内应力的产生决定于两个因素：首先是玻璃的冷却速度，其次是玻璃在退火温度区域中冷却过程热弹应力的松弛速度。在温度以一定冷却速度冷却时，玻璃从黏滞塑性体 逐渐转化为弹性体，由温差所产生的内应力 仅部 分被松弛。根据Adams和Williamson对玻璃在退火区域中的退火研究结果认为，应力的松弛速度与应力 的平方成正比。而应力的大小，当化学成分一定时，主要决定于冷却速度，所以在退火区域内玻璃的热弹应力的松弛速度归根到底也与 冷却速度有关。因此，为了获得永久应力较小的玻璃，关键在于如何正确地确定和控制玻璃在退火区域内的冷却速度。

玻璃带的横向温差所引起的表层应力，即玻璃板横向温度的不对称分布。玻璃板面两边冷却速度不相同，引起一边温度高另一边温度低。应力不对称于板的中心线分布，一边处于高压应力下，另一边处于张应力下，玻璃必然发生变形。一边伸长而另一边收缩，从而使玻璃板面的应力重新分布。当横向温度不对称分布时，引起应力不对称分布而发生变形。

当玻璃上下表面不对称冷却时，如下表面冷却快，使沿厚度方向温度不对称分布。当玻璃冷却到室温均衡时，会引起应力分布不对称，压应力就会向冷却快的那一面偏移。由于下表面压应力大于上表面压力，玻璃带向上弯曲，使下表面受拉张。上表面受压缩。玻璃中原来的应力抵消一部分，而使应力分布或多或少或少趋于平衡。如果玻璃板的上表面比下表面冷却快，则压应力大的一面在上表面，变形相反，板向下弯曲。

2. 超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲问题的研究现状

浮法超薄玻璃离子强化后的翘曲问题是行业共同的难题，比较常用的处理方法是减小由化学强化产生的强化应力来处理翘曲问题，或者通过对玻璃的至少一个面进行处理后而将表面异质层除去后进行离子强化。国外对浮法玻璃离子强化后的玻璃翘曲问题也进行了研究，冈畑直树等对渗锡面进行HF侵蚀，达到上下面离子状态相同，对减小翘曲度起到了指导作用；宫坂聪史等采用氟化剂对玻璃表面进行氟化处理，能够减小离子强化后的翘曲； B·纳维特等通过离子注入处理降低在离子交换时的离子交换程度来控制翘曲，以及通过在玻璃面上形成 SiO2膜后进行化学强化来调节化学强化时进入玻璃的离子交换量等，但是这些成果都在专利知识产权保护体系范围内。 国内研究学者们也对超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲问题进行了一系列的研究，杨国洪等提出通过调整离子交换温度或者缩短离子交换的时间，可缓解玻璃翘曲问题；沈益平等对浮法玻璃渗锡面进行抛光减薄，使玻璃上下表面的结构和质量相接近，再进行离子交换来提高玻璃平整度，减缓翘曲；朱冠宇等在空气面进行镀膜处理，形成一层阻隔膜，可以限制空气面离子交换量；蔡礼貌等研究了渗锡深度和渗锡量对超薄浮法玻璃离子强化后翘曲变形的影响；田英良等研究了超薄浮法玻璃在离子交换过程中 上下表面应力不均而出现的翘曲问题。

结语：离子交换设备简单，工艺容易实现，是超薄浮法玻璃增强机械力学性能的有效实用技术，在 离子交换过程中上下表面应力不均而产生的翘曲问题，严重影响了产品质量，目前，处理超薄浮法玻璃离子交换后上下面应力不同的关键技术大多被国外公司垄断，翘曲问题限制了中国超薄玻璃的进一步发展，因此，探究更有效更实用的处理超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲问题的技术途径，突破国外知识产权保护体系的限制，成为超薄浮法玻璃亟待解决的问题之一，若有效解决超薄浮法玻璃离子强化后的翘曲问题，可大大拓宽超薄浮法玻璃的应用领域，推动超薄浮法玻璃加工工艺技术的发展与进步。

参考文献：

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