高铝硅酸盐玻璃化学强化研究

摘要

高铝硅酸盐玻璃具有良好的机械性能、光学性能和化学钢化性能等。离子交换后的铝硅酸盐玻璃增强效果显著，甚至在减薄的情况下依然保持着高强度，这使得高铝硅酸盐玻璃的化学增强成为前沿学科关注的热点。本文针对化学强化条件对高铝硅酸盐玻璃性能的影响问题展开研究，旨在探究化学强化条件与玻璃性能之间的定量关系。为强化玻璃的实际生产提供指导。
　　采用低温化学强化法对市场常见的三种高铝硅酸盐玻璃进行强化，测量强化玻璃的显微硬度、表面应力、应力层深度和透光率，研究了化学强化条件对强化玻璃显微硬度、应力层深度、表面应力和透光率的影响。发现强化玻璃的显微硬度、应力层深度和表面应力均随着化学强化时间延长和化学强化温度的提高而增加，但是增速并不均匀。表面应力层深度的加深速度随着化学强化时间延长和化学强化温度的提高而变小，表面应力层深度升高速度的初值随着化学强化时间的延长和化学强化温度的提高而减小。显微硬度的升高速度随着化学强化时间延长和化学强化温度的提高而变小;显微硬度升高速度的初值随着化学强化时间的延长和化学强化温度的提高而增大。化学强化对玻璃的透光率没有明显影响。
　　分别使用电子探针法和光折射法测量离子的交换深度，综合两种方法的结果得到了离子交换深度。利用离子交换深度数据计算得到离子扩算过程中的互扩散系数，发现在本课题中离子扩散过程中互扩散系数基本保持恒定不变，395℃、400℃、405℃、410℃时的互扩散系数分别是3.742×10-10cm2/s、4.641×10-10cm2/s、5.338×10-10cm2/s、5.416×10-10cm2/s。分别通过两种活化能计算方法得到康宁玻璃的互扩散活化能为110.9KJ/mol和122.691KJ/mol。
　　利用激光共聚焦显微拉曼能得到了玻璃材料微区域结构信号的特点，研究了化学强化条件对强化玻璃结构的影响。发现随着钾钠离子交换量增多，900-1200cm-1范围内的峰由平缓变得尖锐，980cm-1附近的Q2基团和1140cm-1附近的Q4基团相对1075cm-1附近的Q3基团的强度变弱，490cm-1附近的四元环振动峰和560cm-1附近的三元环振动峰均变的尖锐，三元环和四元环的振动均有所增强。说明随着K+离子置换Na+离子，交换区域的电子在玻璃体中重新分布，发生一个Q2基团和一个Q4基团生成两个Q3基团的反应，桥氧在硅氧四面体之间的分布更加均匀，能够链接成环的桥氧变多，三元环和四元环的数量变多。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 高铝硅酸盐平板玻璃简介

1．3 化学强化的定义、机理和分类

1．3．1 化学强化的定义和机理

1．3．2 低温型化学强化

1．3．3 高温型化学强化

1．4 影响化学强化的因素

1．4．1 玻璃成分

1．4．2 化学强化温度

1．4．3 化学强化时间

1．4．4 熔盐

1．5 化学强化玻璃的结构

1．5．1 研究玻璃结构的必要性

1．5．2 铝硅酸盐玻璃结构基础

1．6 国内外化学强化的研究历史和现状

1．6．1 国内外研究历史

1．6．2 国内外研究现状

1．7 本课题的研究内容及意义

第二章 样品制备及表征方法

2．1 样品制备

2．1．1 实验用样品玻璃的组成

2．1．2 实验仪器及设备

2．1．3 样品制备

2．2 表征方法

2．2．1 差热分析

2．2．2 表面应力及应力层深度

2．2．3 显微硬度

2．2．4 激光共聚焦显微拉曼光谱

2．2．5 X射线光电子能谱

2．2．6 X射线能谱

2．2．7 吸收／透过光谱

3．1 引言

3．2 三种玻璃化学强化能力的比较

3．3 化学强化对玻璃表面应力层深度的影响

3．3．2 应力层深度和化学强化条件之间的关系拟合

3．4 化学强化对玻璃表面应力的影响

3．4．1 化学强化时间和温度对表面应力的影响

3．4．2 表面应力和化学强化条件之间的关系拟合

3．5 化学强化对玻璃显微硬度的影响

3．5．1 化学强化时间和温度对显微硬度的影响

3．5．2 显微硬度和化学强化条件之间的关系拟合

3．6 表面应力和表面应力层深度对显微硬度影响的分析

3．6．1 保温时间对表面应力、应力层深度和显微硬度的影响

3．6．2 压应力对显微硬度计作用力的计算

3．6．3 表面压应力对显微硬度影响的分析

3．6．4 表面应力层深度对显微硬度影响的分析

3．7 化学强化对玻璃透光率的影响

3．8 本章小结

第四章 玻璃活化能及自扩散系数计算

4．2．1 离子扩散深度的测量

4．2．2 玻璃有效扩散系数的计算

4．3 玻璃活化能的计算

4．3．1 Arrhenius方程法

4．3．2 传统系数法

4．4 本章小结

第五章 化学强化对强化玻璃结构的影响

5．1 引言

5．2 化学强化对玻璃结构的影响

5．2．1 交换深度对玻璃结构的影响

5．2．2 化学强化温度对玻璃结构的影响

5．2．3 化学强化时间对玻璃结构的影响

5．3 本章小结

第六章 研究总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简介

攻读学位期间发表的论文与取得的其他研究成果