超薄汽车防护玻璃面板增强及性能研究

摘要

防护玻璃是对各类冲击或外力具备一定抵御能力的特种玻璃，被广泛应用于国防、交通、商业等领域。近年来国内民用车辆由于车窗被破坏而导致失窃的案件越来越多;警用车辆和一些执法车辆在群体事件中被破坏也时有发生，因此汽车防护玻璃的开发十分必要。汽车防护玻璃不但要具有优异的力学性能和使用性能，还要轻薄。目前的汽车防护玻璃具有较优异的力学性能，但是仍存在厚度较厚(约4.7 mm～5.1 mm)、抗低温变形能力差、玻璃面板强度低等问题;而厚度较小的玻璃力学性能不能满足使用要求。因此，超薄汽车防护玻璃的面板增强及性能研究十分必要。
　　本文采用热压法制备出超薄汽车防护玻璃，通过离子交换法和表面镀膜法对面板材料无机玻璃进行增强，研究了离子交换和表面镀膜工艺参数对无机玻璃力学和光学性能的影响;并研究了无机玻璃增强、防护玻璃复合结构等对防护玻璃透光率、力学、热学及低温形变性能等的影响，同时采用COMSOL Multiphysics软件对超薄汽车防护玻璃的透光率进行了仿真模拟，为实验提供了指导。主要研究内容如下:
　　（一）超薄汽车防护玻璃面板增强。(1)离子交换法增强无机玻璃的优化工艺参数为:离子交换温度为410℃，交换时间为10h;此时，玻璃的抗弯强度提升4.17倍，玻璃表面K+扩散深度达到25μm;离子交换对无机玻璃的透光率影响较小;同时优化出一种离子交换熔盐配方，其成分质量比为:KNO3∶ Al2O3∶CsNO3∶ KOH∶ K2CO3∶硅藻土=100∶3.5∶0.4∶0.5∶2∶1.5。(2)表面镀Al2O3膜法增强无机玻璃的优化工艺参数为:热处理温度600℃，Al2O3膜表面RMS为2.466 nm，与镀膜前相比，抗弯强度提升了22 MPa。
　　（二）超薄汽车防护玻璃性能研究。考察了无机玻璃增强、复合结构对防护玻璃粘结性能、透光率、抗弯强度、耐热性及低温形变性能的影响:(1)聚氨酯对物理钢化玻璃的粘接力最大，为603.2 N;对化学钢化玻璃次之，为441.5 N;对镀膜玻璃最差，为359.8 N。采用不同无机玻璃作为结构层的防护玻璃透光率相差不大，其中采用离子交换玻璃作为结构层时的透光率最高，为91.84％;采用镀膜玻璃时的透光率最低，为87.64％。(2)复合防护玻璃相较于贴膜玻璃低温形变性能较差;当无机玻璃和PC板的相对厚度(δG/δPC)较大时，低温形变性能较好;相对厚度较小时，低温形变性能较差。综合抗冲击性能来看:结构为“3mm无机玻璃/0.63 mmPU/1 mmPC”的防护玻璃在达到防护标准的同时具有最小的低温形变，性能较好。(3)当中间PU层较厚（为1.25 mm）时，复合玻璃的耐热性相对较好。对于普通玻璃，抗弯强度大于其与聚氨酯和聚碳酸酯复合之后的抗弯强度;对于物理钢化玻璃，抗弯强度小于其与聚氨酯和聚碳酸酯复合之后的抗弯强度。
　　（三）超薄汽车防护玻璃透光率仿真。采用COMSOL有限元仿真软件，根据三维能量分布图计算得到了对应的透光率数值，并与实测值对比:仿真结果表明，五层模型—“空气/无机玻璃/聚氨酯/聚碳酸酯/空气”与实验结果相一致，边界条件应考虑为“阻抗边界条件”，而在使用小尺寸的防护玻璃模型时可以将气泡忽略不计;防护玻璃模型较厚时能够更好的模拟实际情况。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 防护玻璃

1．2．1 防护玻璃的中间胶层

1．2．2 防护玻璃的背板材料

1．2．3 防护玻璃的重要性能

1．3 离子交换增强

1．3．1 Grififith理论

1．3．2 物理钢化

1．3．3 离子交换

1．3．4 影响化学钢化效果的因素

1．3．5 提升化学钢化效果的途径

1．3．6 提升化学钢化速度的途径

1．4 表面镀膜

1．4．1 界面层

1．4．2 附着力影响因素

1．4．3 溶胶-凝胶镀膜法

1．4．4 γ-Al2O3薄膜的制备

1．5 计算机模拟

1．5．1 复合玻璃的透光率

1．5．2 仿真软件COMSOL Multiphysics

1．6 立体依据与研究内容

第二章 实验过程与测试表征方法

2．1 实验原料与过程

2．1．1 离子交换

2．1．2 γ-Al2O3表面镀膜

2．1．3 超薄防护玻璃的复合制备

2．1．4 透光率计算机模拟

2．2 测试表征方法

2．2．1 抗弯强度测试

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析

2．2．3 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．4 原子力显微镜(AFM)

2．2．5 X射线衍射(XRD)

2．2．6 紫外-可见光谱分析

2．2．7 粘接力测试

2．2．8 抗冲击强度测试

2．2．9 耐热性测试

2．2．10 低温形变测试

第三章 超薄汽车防护玻璃面板增强

3．1 离子交换法

3．1．1 温度、时间对离子交换玻璃抗弯强度的影响

3．1．2 熔盐成分及配比对交换效果的影响

3．1．3 K+与Cs+离子共同强化机制

3．1．4 离子交换对玻璃光学性能的影响

3．2 表面镀膜

3．2．1 热处理温度的选择

3．2．2 薄膜表面形貌分析

3．2．3 镀膜对玻璃光学性能的影响

3．2．4 镀膜对玻璃力学性能的影响

3．3 本章总结

第四章 超薄汽车防护玻璃性能研究

4．1 无机玻璃面板对防护玻璃粘接力的影响

4．2 防护玻璃的复合结构对耐热性的影响

4．3 防护玻璃的复合结构对低温形变性能的影响

4．4 防护玻璃力学性能分析

4．4．1 无机玻璃对防护玻璃抗弯强度的影响

4．4．2 防护玻璃复合结构对抗冲击强度的影响

4．5 无机玻璃和防护玻璃复合结构对透光率的影响

4．5．1 无机玻璃对防护玻璃透光率的影响

4．5．2 不同复合结构对防护玻璃透光率的影响

4．6 本章小结

第五章 防护玻璃透光率模拟

5．1 引言

5．2 不同模型对模拟结果的影响

5．3 边界条件对模拟结果的影响

5．4 气泡对模拟结果的影响

5．5 不同结构防护玻璃的模拟结果

5．6 本章小结

第六章 全文总结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果