鋼化玻璃是怎么鋼化的

鋼化玻璃是怎么鋼化的？聽過魯珀特之淚嗎？它被稱為世界上最堅硬的物質(zhì)之一，事實上鋼化玻璃的制造原理與它類似，當你理解這種魯珀特之淚背后的原理，那么也就懂了鋼化玻璃。魯珀特之淚當你把熔化的玻璃滴入水中時，玻璃會迅速冷凝，形成一個帶有長長尾巴的類似于水滴狀的玻璃結(jié)構(gòu)。通過這種方式得到的玻璃珠也被稱為“魯珀特之淚”。這個名字的由來，據(jù)傳是查理一世國王的侄子魯珀特在1660年率先將這種奇特的玻璃制品帶到英格蘭的。當時在朝廷，魯珀特常用這個小東西戲弄人，于是它被稱為魯珀特之淚。魯珀特之淚神奇的一面這個看似普通的玻璃結(jié)構(gòu)擁有與普通玻璃完全不同的性質(zhì)，它的頭部異常堅硬。一個指甲蓋大小的玻璃頭，就可以承受20多噸的壓力，甚至如果你用子彈轟擊它的頭部，被轟碎的也是子彈自身。之所以魯珀特之淚會擁有這么“變態(tài)”的性質(zhì)，這與它內(nèi)部的受力有關(guān)，其內(nèi)部的受力還得從它的形成開始說起。當熔融狀的玻璃液滴滴入水中時，液滴的外表面接觸水后會迅速冷卻固化形成外殼，但其殼內(nèi)的玻璃還處于高溫狀態(tài)仍然是液態(tài)。當內(nèi)部液態(tài)玻璃溫度逐漸降低，體積開始收縮，收縮過程會使玻璃表面產(chǎn)生一個巨大的壓應力，而內(nèi)部被外表層拉伸，產(chǎn)生拉應力。而正是表面這層玻璃形成的壓應力，使魯珀特之淚的頭部擁有超高的強度。我們知道，玻璃的碎裂其實就是裂紋的擴展，但對于魯伯特之淚而言，即使其表面受外力而產(chǎn)生了微裂紋，但表面巨大的壓應力會阻止微裂紋進一步的擴大，因此從宏觀上它擁有超高的抵抗外界壓力的能力，很難破碎。但魯珀特之淚還有一個特別有趣的地方，就是它的尾部特別脆弱，并且一旦尾部被擊碎，整個魯珀特之淚也會瞬間被粉碎。之所以會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是因為整個魯珀特之淚內(nèi)部擁有極大的內(nèi)應力，這個應力可以達到7000倍的大氣壓。表面的壓應力與內(nèi)部的拉應力形成了一個受力平衡，但這種平衡一旦被打破，則會瞬間失衡而爆裂。由于魯珀特之淚擁有一條細長的尾部，在凝固過程中尾部內(nèi)外部冷卻速度接近，壓應力產(chǎn)生的強化作用有限，因此比較脆弱。如果尾部一旦破碎，尾部的淺裂紋會沿著軸線深入頭部，整個結(jié)構(gòu)內(nèi)應力失衡，導致整體的爆裂。鋼化玻璃原理類似事實上鋼化玻璃分為兩種，一種是物理鋼化，一種是化學鋼化。物理鋼化物理原理與上面形成魯珀特之淚的原理類似，也是經(jīng)過一個急冷的過程。正常的玻璃生產(chǎn)是將原料熔融后形成均勻沒有氣泡的玻璃液，玻璃液下降至一定溫度后黏度變大，具有很大的塑性，此時便可以對玻璃進行機械加工，壓延形成平板形狀。冷卻后的玻璃內(nèi)部還具有一定的應力，因此還要將玻璃在較低溫度下進行加熱后冷卻，進行退火處理，消除內(nèi)應力，形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。而鋼化玻璃則要在上述工藝最后再補上一個強化的步驟，具體過程就是在得到普通玻璃的基礎(chǔ)上，再降其加熱到650℃到700℃左右的玻璃軟化點附近，然后在玻璃兩側(cè)同時用高壓氣流吹氣，使之急速冷卻。玻璃表面快速收縮并固化，于是玻璃會形成具有巨大壓應力的表層，之后冷卻的中心部則會產(chǎn)生很高的內(nèi)部拉應力。這整個變化過程與魯珀特之淚基本類似，玻璃兩側(cè)將形成各自約為1/6玻璃厚的壓應力層，上述過程也被稱為鋼化過程。鋼化后的玻璃同樣具有很高的強度，強化原理與魯珀特之淚一樣，這里就不在贅述了?；瘜W鋼化化學鋼化則是利用化學方法進行強化，這種方法是將將含堿金屬離子的玻璃浸沒在熔融堿鹽中加熱保溫一段時間。在浸沒過程中，玻璃內(nèi)足夠接近表面的堿金屬離子能夠與熔鹽中堿金屬離子發(fā)生置換，當熔融堿鹽中堿金屬離子半徑大于玻璃內(nèi)部堿金屬離子半徑時，就會在玻璃表面形成擠壓效應，從而引入壓應力使得玻璃強度增加。一般來說，由于采用鋼化技術(shù)成本較高，因此通過化學強化的鋼化玻璃一般都用在手機、平板顯示器，高鐵、飛機擋風玻璃等產(chǎn)品上。鋼化玻璃的獨特性能前面已經(jīng)說過，鋼化玻璃表面擁有很強的壓應力，因此比起普通玻璃各方面的性能更強。主要表現(xiàn)在下面幾點。1.鋼化玻璃的強度高，抗沖擊性能好，同時還耐彎折，一般來說，一塊優(yōu)質(zhì)的鋼化玻璃強度可達普通玻璃的4—5倍；2.鋼化玻璃熱穩(wěn)定性較好，可承受巨大的溫差不破損，耐急冷急熱；可以承受可承受200度以上的溫差變化，對防止熱炸裂有明顯的效果；3.安全性高，由于鋼化玻璃內(nèi)各應力平衡，但一旦這個平衡被打破，那么鋼化玻璃破損后會迅速呈現(xiàn)微小鈍角顆粒，最低程度地降低了對人體的傷害。不過鋼化玻璃存在一個自爆現(xiàn)象，在未受到外界機械外力作用的情況下，鋼化玻璃可能會發(fā)生自身爆裂，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，普通鋼化玻璃的自爆率在1~3‰左右。鋼化玻璃之所以會發(fā)生自爆，根據(jù)研究表明，其中一個重要的原因是玻璃中存在的硫化鎳雜質(zhì)粒子因溫度差發(fā)生相變，NiS一般為結(jié)晶體，室溫下有α相向β相轉(zhuǎn)變的熱力學傾向，并伴有2%~3%的體積膨脹，這種變化可引起鋼化玻璃自爆。由于鋼化爆裂后會瞬間變成無數(shù)小片的碎塊，因此為安全起見，很多鋼化玻璃都會在玻璃之間夾上PVB中間膜，這種膜具有很強的韌性，通過鋼化玻璃與這種薄膜符合，不僅能進一步提高整塊玻璃的強度，同時還能夠使玻璃在外力作用碎裂時，吸收大量的沖擊能量并使之迅速衰減，同時還能夠保持玻璃的整體形狀，防止人體被碎片砸傷。鋼化的制造，目前基本上就是采用兩種方法，一種是物理法鋼化，另一種是化學法鋼化。一、物理法鋼化物理法鋼化，如果說的簡單點，就是讓玻璃淬火。物理法的原理，就是玻璃經(jīng)過合適的溫度加熱后，再進行迅速冷卻，玻璃表面就會急劇收縮，產(chǎn)生了壓應力，而玻璃的中層部分因為來不及收縮，就會產(chǎn)生張應力，從而促使玻璃獲得高強度。大致的過程是這樣:將普通玻璃，按照產(chǎn)品形狀切割出來，然后對這塊玻璃進行加熱到接近軟化點700度左右，立刻進行均勻而快速的冷卻。一般6毫米玻璃，需要在700度高溫下加熱4分鐘，然后均勻的冷卻2分半鐘。如果是比較厚的玻璃，比如常見的10毫米玻璃，就需要在700度下加熱8--9分鐘，再經(jīng)過5分鐘左右的降溫。玻璃越厚，鋼化過程時間越長。二、化學法鋼化化學鋼化玻璃的原理是通過離子擴散來改變玻璃表面分子組成。在高溫下，將玻璃浸入高溫熔鹽里，玻璃中的堿離子與熔鹽里的堿離子相互交換，產(chǎn)生“擠壓”現(xiàn)象，促使玻璃表面分子產(chǎn)生壓縮應力，增加玻璃的強度。通過這種方法，來增加玻璃表面分子密度，增加玻璃表面的壓應力，由于增加強度是通過離子交換的方法取得，所以也叫著“離子交換鋼化法”。三、鋼化玻璃有哪些優(yōu)點？通過上面的介紹，我們知道了鋼化玻璃是通過物理法或者是化學法增強了玻璃表面的壓應力，提高了普通玻璃理化指標，使其具有更大的抗風、耐高低溫、抗沖擊、抗彎等特點。歸納起來鋼化玻璃主要有下面兩個優(yōu)點:1、提高了玻璃的強度鋼化玻璃的抗彎強度，是普通玻璃3--5倍；抗沖擊強度，是普通玻璃5--10倍；抗溫度急劇變化，可以承受150度的溫度劇烈變化；耐急冷急熱，比普通玻璃提高2--3倍。2、更加安全由于鋼化玻璃提高了上述物理特性，從而更不容易破碎，改善了玻璃易碎的特點。就算是在劇烈沖擊下破碎，也是細小顆粒，降低了對人的傷害。四、物理鋼化和化學鋼化有哪些區(qū)別？1、加工溫度不同物理鋼化一般溫度是在600--700度下進行，化學鋼化是在400--450度進行。2、鋼化原理不同物理鋼化是玻璃高溫淬冷，化學鋼化是鈉離子交喚加冷卻，3、鋼化厚度不同物理鋼化可以加工3.2--35毫米的普通玻璃，化學鋼化可以加工0.15--50毫米的玻璃。4、鋼化應力不同物理鋼化能夠產(chǎn)生90Mpa--140Mpa的表面應力，化學鋼化能夠產(chǎn)生450Mpa--650Mpa的表面應力。5、破碎狀態(tài)不同物理鋼化玻璃破碎后呈顆粒狀，化學鋼化玻璃破碎后呈小塊狀。6、抗沖擊強度不同物理鋼化玻璃具有大于等于6毫米的優(yōu)勢，化學鋼化玻璃具有小于6毫米的優(yōu)勢。7、其它抗彎強度，化學鋼化玻璃由于物理鋼化玻璃。光學性能，化學鋼化玻璃由于物理鋼化玻璃。表面平整度，化學鋼化玻璃由于物理鋼化玻璃。鋼化玻璃是浮法玻璃經(jīng)過切裁，磨邊，再進入鋼化爐鋼化。鋼化爐溫度在700攝氏度左右，玻璃進爐經(jīng)過一段時間加熱，然后吹風急冷冷卻下來，就成鋼化玻璃了，玻璃厚度不同，溫度，加熱時間，以及吹風的風壓，時間都是不同的。玻璃經(jīng)鋼化爐出來后就形成安全玻璃了，也就是我們說的鋼化玻璃了，鋼化玻璃一旦破碎了，會爆成鈍角的小顆粒，對人的傷害就威脅很小了。我就在鋼化玻璃廠上班，開鋼化爐十六七年了，這個我是很專業(yè)的！說白了，就像淬火工藝一樣，加熱后再極速冷卻，就變得很硬了，有人做過實驗，熔融狀的玻璃滴入水中，冷卻后形成的水滴狀玻璃球，子彈都打不破，錘子都錘不破，可見其硬度多高，不過安裝大型鋼化玻璃還是有危險，依然會破損，我曾經(jīng)親眼見過一起安裝鋼化玻璃的事故，我們辦公室安裝鋼化玻璃門，倆工人用吸盤想把鋼化玻璃門豎起來，結(jié)果由于鋼化玻璃受力不均勻，瞬間破損，碎了一地玻璃渣，掉落的玻璃砸到工人頭部了，工人沒有戴頭盔，瞬間頭破血流，連忙捂著出血的頭部跑去醫(yī)院了，我們辦公室的人嚇了一跳，玻璃的鋼化與熟鐵的鋼化手段基本相同——淬火。歡迎關(guān)注兵器知識譜，今天我們來科普關(guān)于鋼化玻璃的知識。傳統(tǒng)退火玻璃有一個致命缺點，那就是易碎，且破碎后形成尖銳的、鋒利的碎片，這一點相信那些曾經(jīng)打碎過啤酒瓶的讀者朋友深有體會。由于應用廣泛，在許多應用領(lǐng)域上是不允許玻璃破碎后產(chǎn)生尖銳且鋒利的碎片的，比如說電視機屏幕、車窗、高樓裝飾玻璃、面罩等等。如何才能讓必不可少的應用中避免破碎后的玻璃不產(chǎn)生尖銳且鋒利的碎片呢？答案就是提高玻璃強度，即玻璃的鋼化。我們都知道，普通玻璃從熔爐出爐鑄造成型以后通過退火冷卻就能得到。這樣的玻璃機械強度是很低的，相信這也是人們用“玻璃心”來形容一個精神很脆弱的人的原因。下圖為使用傳統(tǒng)退火玻璃制造的飲料瓶，它的機械強度很低，一旦受到撞擊就會破碎成鋒利且尖銳的碎片。倘若讓這樣的玻璃再次回到熔爐中，再次經(jīng)受560℃～620℃高溫的烘烤，那么整塊玻璃就開始處于熔融邊緣。當這塊即將熔化的玻璃被移出熔爐，并使用風冷系統(tǒng)對其表面進行快速冷卻，這個時候玻璃的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，使表層產(chǎn)生強大且均勻的壓應力。在形成壓應力的同時，玻璃表層的瞬間冷卻使這股力在得到釋放前轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部張力，徹底冷卻后便得到了鋼化玻璃，這就是玻璃進行鋼化加工的基本原理。由于內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的變化，加上快速冷卻時形成的內(nèi)部張力，鋼化后的玻璃機械強度極高。特點是不易破碎，且一旦破碎便完全釋放張力，使玻璃以顆粒狀進行破碎，所以鋼化玻璃又被稱為“安全玻璃”。下圖為采用鋼化加工后的防彈玻璃，它被9mm手槍彈在10米距離上射擊后只形成了顆粒狀裂痕?，F(xiàn)代工藝中除了淬火對玻璃進行鋼化以外，還采用化學法鋼化，即使用硝酸鉀溶液對玻璃進行浸泡，雖然方法不