超薄玻璃的制备工艺

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1、超薄玻璃的制备工艺学生姓名：王鑫林学生学号：1079院（系）：材料工程学院年级专业：2013材料科学与工程3班指导教师：李亮 副教授目录0 引言 错误!未定义书签。1 超薄玻璃原片的制备方法 错误!未定义书签11浮法错误!未定义书签12溢流下拉法错误!未定义书签13垂直引上法错误!未定义书签2 超薄玻璃原片的钢化 错误!未定义书签21物理钢化 (PhysicalStrengthening)错误!未定义书签22化学钢化 (ChemicalStrengthening)错误!未定义书签221 离子交换的温度 和时间错误!未定义书签222 添加剂错误!未定义书签223 玻璃表 面损伤错误!未定义书签2

2、3层压法 (Laminating)错误!未定义书签3 最新发展现状一柔性玻璃 错误!未定义书签4 结语 错误!未定义书签参考文献：错误!未定义书签。超薄玻璃的制备工艺摘 要：随着平板技术的飞速发展，世界市场对超薄玻璃的需求巨大。超薄玻 璃原片的制备方法主要有浮法、溢流下拉法和垂直引上法等，本文分别介绍了各 制备方法的工艺过程、特点和发展现状。化学钢化能显著提高超薄玻璃的力学性 能,因此开展超薄玻璃化学钢化的研究具有重要的理论和实际意义。最后详细阐 述了最新超薄玻璃一柔性玻璃的研究、应用的最新进展 。 关键词：超薄玻璃、化学钢化、力学性能、柔性玻璃0引言当今世界玻璃制造商们在开发玻璃新技术方面,

3、均向节能、环保、信息、生 物等领域发展1。 随着世界高科技产业的不断发展,国际市场对超薄玻璃的需求 正日益上升，尤其是平板显示器和手机用超薄玻璃基板。Display Search公司预 测,未来市场对平板显示器用超薄玻璃基片的需求平均每年将以20%的速度增 长。平板显示器要求重量轻、体积小、便于携带，这使得超薄玻璃成为不可缺少 的基片材料。所谓超薄玻璃是相对普通平板玻璃厚度而言的，一般厚度在3 mm 以下为薄玻璃，而厚度在1. 5 mm以下称之为超薄玻璃。厚度小于0. 5mm的超 薄玻璃具有良好的挠性；而厚度小于0. 1mm的超薄玻璃具有可弯曲性能，又 可称为柔性玻璃 。然而超薄化也带来了显而

4、易见的弊端，那就是力学强度的降低。在降低重量、 减小体积的同时，杂质、缺陷以及任何降低玻璃强度的负面因素都会被放大。比 如:一个小小的裂纹或缺陷对于普通厚度的玻璃来说只是表面上一个微不足道的 瑕疵，但相对于超薄玻璃来说，同样大小的裂纹却可能已经深入玻璃内部，对其强 度造成无法忽视的破坏。这直接造成了超薄玻璃在抗折强度、表面硬度等力学性 能指标上明显落后于普通的平板玻璃，这给超薄玻璃的实际应用带来了巨大的阻 碍。从上世纪60年代Kistier开始，通过不懈的研究人们发现通过化学钢化(即 离子交换)的方法，超薄玻璃的力学性能可以得到质的提高。经过化学钢化后的超 薄玻璃在: (1)电子信息产业平板显

5、示器用基板玻璃;(2)钟表蒙面玻璃、仪器及 汽车仪表玻璃、工业相象全息制版玻璃、照相机盖板玻璃; (3)太阳能发电用基 板玻璃、太阳能电池保护罩板玻璃;(4)复印机、传真机及各类编码器用玻璃;(5) 显微镜、医用玻璃; (6)工业材料配合料用鳞片玻璃等六大工业领域具有非凡的 经济、科研价值。本文综述了超薄玻璃化学钢化的原理、影响因素、研究进展以 及一系列可实用的加速离子交换速度的方法。1超薄玻璃原片的制备方法超薄玻璃原片的制备方法主要浮法 、溢流下拉法 、垂直引上法和铂金炉下 拉法等 。浮法 、溢流法和垂直引上法是目前生产超薄玻璃的主要方法 ，可以 制备0. 32mm厚度的超薄玻璃。11 浮法

6、浮法生产超薄玻璃工艺的原理与普通的浮法生产工艺原理基本一致，但是超 薄浮法对工艺控制和装备要求高，生产难度大 。要获得超薄玻璃，需要根据玻 璃液的表面张力 、黏度和重力等参数 ，增加拉边机数量 、设置牵引机，通过 精确控制拉边机、牵引机的工艺参数，借助于拉边机和牵引机对玻璃液施加的作 用力 ，来克服玻璃液重力和表面张力的作用 ，制备超薄浮法玻璃 23。2014 年，中国洛玻集团研制出厚度为0. 33mm的超薄玻璃，中国蚌埠玻璃工业设计 研究院研制出厚度为0. 3mm的超薄玻璃，解决了制约0. 3Flim超薄玻璃产 品的微观波纹度 、板面翘曲等关键技术难题 ，实现了连续稳定生产。1.2 溢流下拉

7、法溢流下拉法是美国康宁公司发明的生产超薄玻璃 的方法。此方法一般可拉 制出 0.51.0mm 的超薄玻璃。该工艺最大的优点是适用于多种玻璃组分 ， 而且玻璃具有 良好表面质量4。但是产量小、板宽窄 ，受溢流槽的尺寸所 限 ， 板宽通常不足浮法玻璃板宽的一半。1.3 垂直引上法在原料优选 、工艺制度稳定及配有专用拉薄引上机的前提下，可采用垂直 引上法拉制出厚度在2. 0mm以下的薄玻璃，广泛用于高档制镜、医用、仪表 及电子工业的显示器基板等，德国霍恩（HORN）公司用此方法成功拉制出0. 5 2.0mm 的薄玻璃 。垂直引上法生产的薄玻璃品种多，占地面积小 ，易控制， 但是生产出的玻璃平整度 比

8、较差 ，波筋、线道等缺陷很难避免，因此垂直引上 法的优质成品率比较低。2 超薄玻璃原片的钢化超薄玻璃因其具有良好的平整度 、光学性能、耐热稳定性等特性 ，广泛使 用在电子产品领域 。但是也存在着机械强度低 、易碎等缺 陷 ，这在很大程 度 上制约了其应用与发 展 5。超薄玻璃之所以机械强度低 ，原因在于超薄玻璃 表面和内部存在大量微裂纹，在外力与环境介质的作用下极易发 生裂纹扩展，从而使玻璃遭到破坏。为了克服这个弱点，可对玻璃进行 钢化提高强度。钢化玻璃亦称预应力玻璃，就是利用在玻璃的表面形成压应 力层，内部产生张应力，即玻璃产生了一种均匀而规律分布的内 应力，从而提高玻璃的抗冲击强度和稳定性

9、。目前，超薄玻璃的钢化 方法主要有物理钢化、化学钢化和层压法 6。21 物理钢化 (PhysicalStrengthening)物理钢化的原理是通过加热介质对玻璃进行加热，加热到玻璃的转变温度与玻璃的软化温度之间的某个温度后(对于普通的钠钙玻璃来说，约为650 700C),在冷却介质中迅速冷却，由于玻璃表面比玻璃内部冷却的快，玻璃表 面粘度增加，急剧收缩而产生压应力，玻璃内形成张应力，使玻璃获得较高的强 度。一般来说冷却强度越高，则玻璃强越大。根据冷却介质的不同，物理钢化法分为气体钢化法、液体钢化法、微粒钢 化法。气体钢化法，一般用空气作为气体介质，用于钢化较厚的玻璃，难以实 现2mm以下玻璃

10、的钢化。液体钢化法是用液体作为冷却介质对玻璃进行淬火的 方法。冷却介质一般为熔盐、矿物油等，适合钢化面积不大的厚度为 2530mm 薄玻璃制品。微粒钢化法是将玻璃加热到接近软化温度后，一般采用粒度小于 200 口m的氧化铝微粒对玻璃进行冷却的方法。微粒钢化冷却介质的冷却能大， 适合钢化超薄玻璃，但产品的均匀性难以控制。平板玻璃经物理钢化后不能切割、钻孔以及研磨抛光，钢化前要将平板 玻璃按照形状及尺寸的要求进行机械加工。物理钢化法是通过降温阶段玻璃内 外层温度差产生的应力提高强度，不太适合生产较薄的玻璃，而且可能会有自 爆问题，会伤及人体。22 化学钢化 (ChemicalStrengtheni

11、ng)化学钢化法是根据离子扩散的机理来改变玻璃表面的化学组 成，即在一定温度下，把含有小半径碱金属离子的玻璃沉浸在含有大 半径碱金属离子的熔盐中，在化学位梯度的推动下，玻璃中的小半径碱金属离 子与熔盐中的大半径碱金属离子互相交换，产生互扩散过程，扩散 到玻璃表面的大离子占据了玻璃亚表面层中小离子的位置，使得玻璃 表面体积膨胀产生“挤塞”现象，导致玻璃表面上产生了很大应力的压应力层， 有效消除微裂纹或抑制微裂纹的扩展，显著提高玻璃的强度。离子 交换的效果直接影响着玻璃的弯曲强度、耐热冲击性能、表面压力值、压应力 层的厚度和抗冲击性能等。而影响离子交换效果的主要因素主要有： 离子交换的温度和时间、

12、添加剂、玻璃表面损伤等。221离子交换的温度和时间温度是影响离子交换的一个重要因素，温度升高给予离子更 多的活 化能，玻璃 内部发 生应力弛豫 而且有利于扩散的进行 ，增加玻 璃的强度 。但是温度过高会导致结构松弛，“挤塞”效应降低，玻璃强度降 低。玻璃离 子交换获 得表面压 应力的过 程，是 以一定 的离子 交换 速率产 生表 面压应 力和玻 璃网 络结构 的调整 产生热松 弛损 失 应力 的矛盾过程 。交换 时间对表 面应力的影 响分三个 阶段 ：交换 初期，应力值 随交换时 问的延长而增 加；随交换时 间延长 ，因交换 而 产生 的应力增加 与应 力松弛 造成 的应力 降低达 到平 衡，

13、变 化 趋于稳定；接下来应力随时间的再延长而降低 。在一定温度下，在应力一时 间曲线上总是出现应力极大值，所对应的时 间为最佳交 换时间 。222添加剂在熔盐中加入添加剂可起到加速离子交换和改善玻璃表面质量 的作用。对 于硝酸钾熔盐来说，通常用KOH、K。CO。、KF等作为添加剂。这些添加剂 可以使 离子 交换 的时 间由 十几小 时缩 短到几 小时 甚 至几 十分钟，其中KOH的效果最好。研究表明，在交换熔盐中加入少 量的KOH，对缩短交换时间和提高玻璃的强度都有明显的效果，但是KOH 的含量达到 1时就会使玻璃表面受到严重侵蚀 ，甚至产生裂纹，造成强度显 著下降。223玻璃表面损伤对于化

14、学钢化玻 璃，表面损 伤对强度 的影响更 为突 出 ，通常 化学 钢化玻 璃的压 应力 厚度 只有几 十微米 ，哪怕是 任何 轻微 的损伤 ，强度衰减都 非常严 重。当玻璃 表面损 伤超过压应 力层 厚 度时 ，实际上增 强的效 果已不 复存在 。总之，化学钢化后 的玻璃表面压应力大且均匀，因而强度更高、热稳定 性好，玻璃表面平整光滑并且玻璃不易发生光学畸变及物理变形 ，对玻璃的形 状尺寸没有任何要求，经离子交换后的玻璃可以切割 、钻孔等冷加工处理且无 自爆现象，成品率高。与物理钢化法相 比，化学钢化法更适合 于钢化特薄 (厚 度小于1mm)、厚薄不均、要求精度高的玻璃、23层压法 (Lami

15、nating)层压法是在相对高的温度下在玻璃表面覆盖另一层玻璃、所层压的玻璃应具 有比内层玻璃低的热膨胀系数 、层压法 的原理与上 面一样 ：当快速 冷 却的时候 ，内层玻 璃处于 拉应力 状态 ，所层压 的玻璃 处于 压应 力状态、层压法还可用具有较低杨氏模量的保护膜覆盖在玻璃表面 ，例如聚合 物薄膜、这种方法的机理就是减 小表面裂 纹、当表面保 护膜 受到外加 作用力时 ，低杨氏模 量的薄膜 吸收作 用力 并阻止 玻璃 里面新 裂 纹的产 生，从 而达到增 加玻璃 强度的 目的6、3最新发展现状一柔性玻璃柔 性基 板若 用于 显示 器基 板 ，有 助 于开发 出具 有 真实感 的曲 面显

16、示器 ，用 于封装 有 机 电致 发光 面板 等元器 件 ，可保护 元器 件 不 受水 分 和氧 的侵蚀 ，因而受 到人们 的广泛关 注 。柔性基板按化学组成分为聚合物柔性基板和玻璃柔性基板 。聚合物柔性基 板具有成本低 、柔性好 、不易碎等优点，但存在可见光透过率低 、不耐高温 、 热稳定性差、易于老化等一系列缺点 ，限制 了其应用 ，特别是不能应用于显 示器基板 ；玻璃耐高温 ，同时具有可见光透过率高、热稳定好、表面光滑 、 化学性质稳定等优点 ，缺点 是柔性 差 易碎 ，如果 玻璃 具有 柔性 ，那 么 玻璃 就是 理想 的柔 性基 板 了7。目前 ，显示 器 产业正 处 于转折 点 ， 从以往的大尺寸向薄型轻量化以