增加玻璃强度的方法有哪些？

公元前30 0 0年，埃及和近东首次将玻璃用于装饰物品。后来，人们发明了压缩成型制造玻璃器皿。目前，玻璃因其透光性好、制造成本低、工艺控制简单、易于加工而被广泛应用于农业、交通运输、电子、航空航天等领域。然而，玻璃固有的脆性和低强度限制了它的进一步发展。强度是指材料抵抗损坏或失效的能力。从力学角度来说，强度是指材料在一定载荷下失效时的最大应力值。对于脆性材料，断裂强度最能反映其力学性能。断裂必须克服固体的内聚力，原子键必须断裂，材料的理论强度只是原子键能的反映。根据化学键结合强度的计算，玻璃的理论强度约为E /IO。那么按此计算，玻璃的强度应该在7 0 0 0 M P a左右，但在实际应用中，玻璃的实际强度只有8 0 ~10 0 M P a，比理论强度低2~3个数量级。实际强度与理论强度的巨大差距是由玻璃中的微裂纹造成的。影响玻璃实际强度的因素有很多，如储存环境(如温度、湿度、气氛、储存时间等。)、表面加工、样品大小、加载速度、机械划痕、内部不平整(气泡、石子)，其中表面微裂纹的存在对玻璃的实际强度影响最大。因为很多应用需要高强度玻璃，提高玻璃的强度是解决问题的关键。为了提高玻璃的机械性能，研究人员探索了许多不同的方法。其中，表面处理，如物理回火、化学回火、酸处理和涂覆是最常见的方法。2提高玻璃强度的方法2。1物理钢化利用物理原理在玻璃表面预制压应力层的方法称为物理强化法或物理钢化。将玻璃加热到90℃以上，然后将热玻璃表面均匀快速冷却，使表面的热结构冻结。当玻璃内部逐渐冷却时，先冷却的外表层会限制内部的收缩，从而在玻璃表面产生压应力，在玻璃内部产生拉应力。物理强化具有成本低、产量大、机械强度高、抗热震性好(最高安全工作温度可达28±7。7±8℃)和高的热梯度(它能承受20±4。4 4℃).但是对玻璃的厚度和形状有一定的要求，无法钢化2咖以下的玻璃样品，加工复杂的部件，钢化过程中也存在玻璃变形的问题，无法提高光学质量。另外，物理钢化玻璃不能切割加工，可能会有自爆。2.2化学钢化267 2009中国玻璃工业年会暨技术研讨会论文集用化学方法在玻璃表面预制压应力层的方法称为化学强化法，也称离子交换强化法。化学增强法是英国的第一项专利，由阿瑟于19 6 0年申请。离子交换增强的原理是:根据离子扩散的机理，改变玻璃的表面成分，将玻璃浸入一定温度F的高温熔盐中，玻璃中的碱金属离子与熔盐中的碱金属离子因扩散而相互交换，产生“拥挤”现象，使玻璃表面产生压应力，从而提高玻璃的强度。离子交换强化技术可分为高温犁和低温犁两种。低温离子交换是指当温度低于玻璃的应变点时，玻璃中的小半径碱金属离子N a+与熔盐中的人体半径碱金属离子K+进行交换，产生充血现象，从而强化玻璃表面。在19 62中，K istler首先以硅酸盐玻璃为原料研究了K'-N A '离子交换的增强。高温离子交换是玻璃中的大半径碱金属离子N a+和K+与熔盐中的小半径碱金属离子L i+进行交换，产生低膨胀表层，达到强化的目的。由于某些人体玻璃中含有钠玻璃，许多研究集中在低温离子交换的原理和应用上。离子交换增强玻璃具有强度高、受力均匀、稳定性好、不自爆、可加工、不变形、不光学畸变等特点，适用于形状复杂、厚度小的玻璃制品的增强。到目前为止，离子交换强化是强化3 mm以下不规则薄玻璃的唯一有效方法，离子交换强化玻璃性能优异，主要应用于航天器、军用飞机、高速列车、战车、舰船挡风玻璃、侧坑等高科技领域。虽然单步离子交换可以提高玻璃的强度，但是强度的分散性还是比较大的。另外，离子交换增强只适用于含碱金属的玻璃，不能用于其他玻璃。离子交换中使用的废硝酸钾盐的处理对环境有害。另外清洗离子交换玻璃也需要大量的水，所以成本高，不利于强化普通玻璃。2.3除应力增强处理外，酸蚀也可用于去除表面微裂纹。酸蚀的原理是通过酸蚀去除玻璃表面的裂纹层或钝化裂纹尖端，从而降低应力集中，恢复玻璃固有的高强度特性。因为酸洗是去除表面的微裂纹，所以要选择腐蚀能力强的酸，比如氢氟酸。但单独用氢氟酸不容易得到光滑的表面，侵蚀后产生的盐附着在玻璃表面。为了除去盐，需要将强酸如硫酸、磷酸和硝酸加入氢氟酸中。平板玻璃经酸蚀后，强度可达8001000M·P·a，但经过酸处理后，玻璃表面极易破碎，易受外界环境侵蚀，表面硬度下降，强度不能得到有效保持。另外，酸蚀玻璃不耐高温处理，高温腐蚀后强度急剧下降。2.4镀膜保护随着能源成本的增加，使用镀膜增强玻璃是一种经济有效的方式。人们通过不同的方法制备了不同的涂层，如溶胶-凝胶硅涂层、有机-无机复合涂层、环氧树脂涂层和有机硅改性涂层。这些涂层可以提高玻璃的机械性能。研究人员建立了不同的理论来解释涂层的增强效应。有人提出了溶胶-凝胶涂层在填充玻璃表面裂纹和部分填充时的强化机理。此外，泊松抑制效应被认为是环氧涂层的增强机制。但最新研究认为，玻璃与镀膜热膨胀系数的差异导致的闭合应力是解释玻璃强度提高的合理模型。虽然涂层制作工艺简单，成本低，但易受外界环境影响。一旦涂层被破坏，玻璃的强度会明显下降。这是制约涂料发展的原因之一。结论提高普通玻璃的强度一直是玻璃深加工研究者关注的焦点。根据设计要求，不同的玻璃应用可以采用不同的强化方法。另外，对于特殊用途的玻璃，可以结合传统的强化技术来提高强度。