溶膠—凝膠-離子交換復(fù)合強化玻璃研究.pdf

1、高速鐵路技術(shù)的快速發(fā)展對關(guān)鍵材料及部件的要求越來越高。作為高鐵列車的重要組成，車窗玻璃需要具備極高的強度、安全性、穩(wěn)定性?；瘜W(xué)鋼化玻璃是車窗玻璃材料是高速列車用玻璃中重要的一類，具有強度高、可裁切、并且?guī)缀醪粫碜冃我约肮鈱W(xué)不良影響等優(yōu)良特性，其研究開發(fā)受到國內(nèi)外的高度重視，并取得許多突破性進(jìn)展。但其表面壓應(yīng)力層很薄，對微缺陷十分敏感，耐劃傷能力較弱。很小的表面損傷，就足以使整體強度降低，這給高鐵車窗的安全性和可靠性帶來隱憂。

2、　　本文以高鐵車窗玻璃為應(yīng)用背景，采用溶膠-凝膠/離子交換復(fù)合強化工藝研究改善化學(xué)鋼化玻璃的耐磨性。研究表明采用溶膠-凝膠法在普通玻璃表面制備透明硬質(zhì)薄膜可以有效增強耐磨性。然而，通過溶膠-凝膠法與離子交換工藝復(fù)合強化玻璃同時提高強度和耐磨性的研究與報道目前還比較少。本文從優(yōu)化離子交換的工藝參數(shù)、熔鹽配方和研究環(huán)氧丙烷輔助制備溶膠通用方法及機理兩方面著手，并以此為基礎(chǔ)，將兩者組合，采取離子交換-鍍膜和鍍膜-離子交換兩種復(fù)合強化工藝制備出

3、透明耐磨薄膜鍍膜化學(xué)鋼化玻璃，同時研究了其中的主要影響因素和相關(guān)機理。
　　論文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)基于離子交換的基本原理，優(yōu)化了鈉鈣玻璃化學(xué)鋼化工藝參數(shù)和熔鹽配方。
　　研究表明:經(jīng)過15min鉻酸洗液預(yù)處理玻璃原片在450℃的硝酸鉀熔鹽中進(jìn)行離子交換10～11小時可以達(dá)到最大的抗彎強度。通過正交試驗得到優(yōu)化后的按質(zhì)量比的熔鹽配方為:KNO3∶K2CO3∶KOH∶氧化鋁∶硅藻土=100∶2∶0.5∶3

4、.5∶1.5。使用該配方在450℃進(jìn)行離子交換，鋼化時間減少到9小時，抗彎強度達(dá)到～362MPa。鋼化后，玻璃可見光透過率保持不變，納米硬度在表面深度～650nm前的大于原片，超過這一深度兩者相同。
　　(2)開發(fā)環(huán)氧丙烷輔助低成本制備溶膠的通用方法，探討溶膠穩(wěn)定化機理。
　　以氧氯化鋯、氯化錫、正硅酸乙酯為前驅(qū)體，以水-乙醇為溶劑（水醇比體積比VW/E=1/3），加入環(huán)氧丙烷（摩爾比PO/Cl或者PO/-CH2CH3=1.

5、5/1），5wt％稀硝酸(1.5ml/100ml)在室溫下攪拌均勻，30h后均能形成穩(wěn)定均勻，粘度～6.5-7mPa·s、固含量為2wt％的一元或者二元復(fù)合溶膠。其主要機理為:環(huán)氧丙烷作為凝膠促進(jìn)劑，通過開環(huán)反應(yīng)促進(jìn)前驅(qū)物水解聚合;同時加入適量稀硝酸穩(wěn)定體系的pH;適度控制溶劑的水醇比提高分散介質(zhì)的介電常數(shù)，增強膠粒間的靜電排斥力。通過這些措施的協(xié)同作用既保證了溶膠的形成，又阻止了膠粒過快聚集成凝膠，可以簡單快速地獲取長時間穩(wěn)定的溶膠。

6、
　　(3)通過離子交換-鍍膜復(fù)合強化工藝制備透明耐磨薄膜鍍膜化學(xué)鋼化玻璃
　　采用溶膠凝膠法在化學(xué)鋼化玻璃表面制備出ZrO2-SiO2、ZrO2-SnO2系列薄膜，研究了熱處理溫度和薄膜組成對鍍膜玻璃的力學(xué)和光學(xué)性能的影響。研究表明:所有薄膜均連續(xù)均勻;隨著熱處理溫度從300℃升高到500℃，45nm厚度純ZrO2鍍膜樣品的薄膜逐漸由無定形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较酁橹?，納米硬度增大，折射率隨之增大，增加了光反射和散射損失，降低了可見

7、光透過率，高溫導(dǎo)致的壓力層松弛使得鍍膜玻璃的抗彎強度亦出現(xiàn)快速降低。因此，鍍膜化學(xué)鋼化玻璃熱處理溫度不宜超過400℃。此外薄膜厚度增加到200nm，透過率會大幅下降，但對鍍膜玻璃的抗彎強度無明顯影響。
　　在400℃熱處理1h的條件下，ZrO2-Si薄膜中含SiO2均為無定形結(jié)構(gòu)。隨著薄膜中Si含量增加，可見光透過率增加，但薄膜納米硬度和楊氏模量隨之降低，鍍膜玻璃抗彎強度有一定改善;1Zr-1Si薄膜鍍膜樣品綜合性能最佳:表面硬度

8、=14GPa，抗彎強度=342MPa，厚度～45nm時可見光透過率大于88％。ZrO2-SnO2系列薄膜隨SnO2含量增加，納米硬度和鍍膜玻璃抗彎強度基本保持不變，但可見光透過率增大;純SnO2薄膜性能最優(yōu)，表面硬度=16.4GPa，抗彎強度=322MPa，厚度～45nm時可見光透過率大于90％。
　　(4)通過鍍膜-離子交換復(fù)合強化工藝制備透明耐磨薄膜鍍膜化學(xué)鋼化玻璃
　　為克服離子交換-鍍膜工藝對薄膜熱處理溫度的限制，探

9、索采用溶膠-凝膠法在玻璃表面制備出薄膜，經(jīng)550℃進(jìn)行熱處理2小時后，再通過離子交換形成鍍膜增強玻璃的復(fù)合強化工藝。研究表明:所有薄膜均連續(xù)均勻，純ZrO2薄膜為四方相結(jié)構(gòu)，含Si薄膜為無定形結(jié)構(gòu);含Sn薄膜為四方相ZrO2、SnO2和正交相ZrSnO4混合多晶薄膜。所有薄膜均具有較高彈性恢復(fù)率(＞60％)以及H/E比(＞0.1)有利于基體強度增強;對于ZrO2-SiO2系列復(fù)合薄膜而言隨著Si含量增加，薄膜折射率降低，可見光透過率增加

10、，但表面硬度和楊氏模量隨之降低;對于ZrO2-SnO2系列復(fù)合薄膜而言，納米硬度隨薄膜組成變化趨勢不明顯，純SnO2薄膜的納米硬度提高到24GPa，鍍膜玻璃的抗彎強度在360MP～380MPa之間。隨著薄膜中SnO2含量的增加，薄膜折射率減小，透過率增大，純SnO2鍍膜樣品透過率大于91％。表面薄膜對離子交換有阻礙作用，隨著薄膜厚度增大，離子交換深度降低，使得抗彎強度也會隨之降低，可見光透過率亦隨之降低。在～200nm厚度之前，薄膜帶來