超薄蓋板玻璃二步法離子強(qiáng)化工藝研究進(jìn)展

超薄玻璃具有高透過率、高硬度及平整度好等優(yōu)良性能，且通過離子強(qiáng)化后具有耐劃傷、抗沖擊等性能被作為觸摸屏蓋板使用，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦及便攜式終端使用。二步法離子強(qiáng)化工藝的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化后應(yīng)力層深度的增加，也對(duì)應(yīng)力分布進(jìn)行調(diào)整，使壓應(yīng)力最大值不在表面而在內(nèi)部，有效緩解了受外力時(shí)的微裂紋的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了超薄蓋板玻璃高強(qiáng)度、高抗沖擊性能的要求。在商用超薄蓋板玻璃市場上，康寧公司在GorillaGlass4（GG4）的離子強(qiáng)化上首次使用了二步法離子交換工藝，使抗沖擊性能明顯提高，玻璃從1m處跌落地面10次不破裂。GorillaGlass5（GG5）在組分中添加了氧化鋰，二步法離子強(qiáng)化后跌落高度提高到1.2m。國內(nèi)第一款商用鋰鋁硅蓋板玻璃為深圳東麗華公司的凱利6（GK6），采用二步法離子強(qiáng)化后跌落高度可達(dá)到1m，三種超薄蓋板玻璃強(qiáng)化后的性能如表1所示。從表1中可以看出，康寧GG5在玻璃成分中添加了氧化鋰，二步法離子強(qiáng)化后應(yīng)力層深度大于75mm，抗沖擊性能比GG4有明顯的提升，國產(chǎn)的GK6強(qiáng)化后性能指標(biāo)在表面壓應(yīng)力、應(yīng)力層深度上均達(dá)到和超過康寧GG5。表1不同組分超薄蓋板玻璃強(qiáng)化后性能對(duì)比二步法離子強(qiáng)化后蓋板玻璃的性能與玻璃組分、離子交換熔鹽成分、離子交換時(shí)間和溫度等有關(guān)。蓋板玻璃組分：玻璃組分對(duì)離子強(qiáng)化工藝有較大的影響，適合二步法離子強(qiáng)化工藝的超薄蓋板玻璃組分有鈉鈣硅玻璃、鈉鋁硅玻璃、鋰鋁硅玻璃。玻璃的組成決定著黏度、表面張力及熱膨脹系數(shù)等熱學(xué)指標(biāo)。從生產(chǎn)上來說，隨著鋁含量的提高，玻璃的黏度增大，熔化溫度升高，造成生產(chǎn)難度加大，成本增加。由于溢流下拉法生產(chǎn)技術(shù)的專有性，國內(nèi)超薄蓋板玻璃的生產(chǎn)以浮法工藝進(jìn)行，鈉鈣硅玻璃質(zhì)量好、成本低，但二步法強(qiáng)化后性能稍差；鈉鋁硅玻璃及鋰鋁硅玻璃的生產(chǎn)相對(duì)困難，但南玻等企業(yè)在蓋板玻璃上專利進(jìn)行了布局，強(qiáng)化后性能可達(dá)到目前市場上超薄蓋板玻璃的性能要求。熔鹽成分：二步法離子強(qiáng)化工藝進(jìn)行兩次離子交換，熔鹽成分的選擇應(yīng)與玻璃組分中需要交換的離子有關(guān)，以鋰鋁硅酸鹽玻璃為例，第一步離子強(qiáng)化以鋰-鈉交換為主，熔鹽以NaNO3為主；第二步以鈉-鉀交換為主，熔鹽以KNO3為主。從二步法離子強(qiáng)化的熔鹽組分的選擇可以看出，相對(duì)于一步法離子交換，熔鹽組分的選擇更為多樣化，且與玻璃組分的選擇密切相關(guān)，雖然兩次強(qiáng)化需要熔鹽的用量較多，二步法離子強(qiáng)化也會(huì)造成生產(chǎn)效率的降低，但兩步法離子強(qiáng)化可獲得優(yōu)良的產(chǎn)品性能。交換溫度和時(shí)間：超薄蓋板玻璃采用的二步法離子強(qiáng)化工藝溫度一般為低于應(yīng)變點(diǎn)溫度進(jìn)行離子交換，盡可能減少離子交換的時(shí)間以達(dá)到高的強(qiáng)化性能?？祵幑驹贕orillaGlass4的兩步法離子強(qiáng)化時(shí)間不足7h，深圳東麗華公司的凱利6（GK6）二步法離子強(qiáng)化時(shí)間為110min，但對(duì)兩個(gè)產(chǎn)品的強(qiáng)化溫度未見報(bào)道。肖特［17］申請的化學(xué)鋼化的玻璃專利采用第一步離子強(qiáng)化溫度420℃，交換時(shí)間≤8h，第二步離子強(qiáng)化溫度400℃，交換時(shí)間≤3h，二步法離子強(qiáng)化后性能：表面壓應(yīng)力CS≥800MPa，應(yīng)力層深度DOL為80mm。南玻申請的一種高鋁玻璃及其強(qiáng)化方法采用鋰鋁硅玻璃，其中實(shí)施例5選用第一步離子交換溫度440℃，交換時(shí)間380min，第二步離子交換溫度395℃，交換時(shí)間12min，強(qiáng)化后的性能：CS為910MPa，DOL為82.7mm。離子交換的溫度和時(shí)間的選擇與產(chǎn)品的組分及達(dá)到的強(qiáng)化后性能要求有關(guān)，以更適用于生產(chǎn)的要求為標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)展趨勢：超薄蓋板玻璃強(qiáng)化后的性能不僅與玻璃的組分有關(guān)，也與二步法離子強(qiáng)化的工藝密切相關(guān)，但兩次離子交換的強(qiáng)化機(jī)理及離子交換過程中微觀結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)等基礎(chǔ)問題仍需要進(jìn)一步的研究。在這些研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行蓋板玻璃組分設(shè)計(jì)、兩步法離子強(qiáng)化工藝優(yōu)化，從而選擇更加符合生產(chǎn)要求的超薄蓋板玻璃。浮法工藝由于玻璃液漂浮在錫液上成形，造成玻璃錫面和空氣面的成分不同，研究表明，在離子強(qiáng)化后會(huì)造成玻璃翹曲，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，需在控制離子強(qiáng)化后的翹曲問題上做進(jìn)一步技術(shù)開發(fā)。5G時(shí)代促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互的發(fā)展，智能終端向著輕薄化、集成化發(fā)展，對(duì)超薄蓋板玻璃的需求量也會(huì)增加，同時(shí)對(duì)蓋板玻璃強(qiáng)化后的強(qiáng)度、抗沖擊性能也提出了較高的要求。目前在高端超薄蓋板市場，國外企