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引言

化学强化通常是一种采用化学方法，通过离子交换来实现玻璃具有更高强度、硬度和耐磨性的强化技术。这种强化技术的原理是在合适的高温下，用熔融盐中的半径较大的离子交换玻璃靠近表面处的半径较小的离子，在玻璃表面产生压应力，从而提高玻璃的强度和耐久性，并改善其使用寿命。最典型的化学强化工艺是将玻璃放入具有一定浓度和一定温度的熔融盐（如：硝酸钾熔盐、硝酸钠熔盐或两种熔盐的混合物）中，由于离子半径RK+（0.138nm）＞RNa+（0.102nm）＞RLi+（0.076nm），实现熔融盐中的钾离子（K+）交换玻璃表面的钠离子（Na+）或锂离子（Li+），或者熔融盐中的钠离子（Na+）交换玻璃中的锂离子（Li+），冷却后，由于玻璃靠近表面位置的成分中半径小的离子被熔盐中半径更大的离子交换，玻璃表面产生了挤压效应，从而产生表面压应力，可达到提高玻璃机械强度的目的。化学强化的温度通常低于玻璃的玻璃转变温度（Tg），使玻璃在强化过程中始终处于脆性力学状态，从而能更好的产生压应力，提高强化效果。

采用离子交换法进行化学强化的一般步骤为：①预处理。将玻璃进行清洗，去除表面油污和杂质；②选择熔融盐。根据需要的强化效果和玻璃的特性，选择合适的熔盐种类及配比；③强化。将玻璃完全浸润在熔融盐中，在一定温度和时间下，实现熔盐中的大半径离子交换玻璃靠近表面位置的小半径离子。在这个过程中，通过离子交换，可在玻璃表面形成一个压应力层，从而达到提高玻璃机械强度、耐久性和使用寿命的目的。选择的强化温度和强化时间直接影响玻璃离子交换深度（DOL）和表面压应力大小（CS）。通过离子交换法可使玻璃表面硬度和强度提高3至5倍，增强了玻璃的耐磨、抗弯曲和抗冲击性能。化学强化玻璃可应用于智能手机、平板电视、汽车前挡风玻璃等领域。

在相同的强化温度和强化时间下，玻璃的网络结构对DOL和CS有非常重要的影响，而化学强化玻璃的DOL和CS又直接影响其机械性能。因此，探究化学强化与玻璃组成及其网络结构的关系十分必要。基于此，本文通过在典型盖板硅酸盐玻璃组分中调整SiO2、Al2O3和ZrO2?比例，从而改变该玻璃网络形成体平均键强和网络结构单元类型，探究其对化学强化后玻璃DOL和CS的影响规律。在此基础上，测试了化学强化玻璃的应力特性、抗弯性能和抗冲击性能，并进一步分析其影响机理。1

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实验

（1）试样制备

实验所用典型盖板硅酸盐玻璃的配方如表1中J-01所示，在此基础上，改变玻璃网络形成体氧化物含量（理论上，J-01组分玻璃中Al2O3为网络形成体氧化物），如表1所示，根据Al2O3和ZrO2的含量由低到高，试样编号分别为J-01、J-02、J-03、J-04和J-05。将分析纯原料SiO2、Na2CO3、Al2O3、K2CO3、MgO和ZrO2，按表1中的配方称取混合均匀后，放入铂金坩埚中并置于高温熔炉里，按10℃/min的升温速率升温至1620℃保温5h，然后将熔融均一的玻璃液浇筑成180mm×90mm×20mm的玻璃锭，待玻璃锭成型后立刻转入630℃的退火炉中保温2h进行退火，以消除玻璃内部应力。利用线切割机将退火后的玻璃锭切割成尺寸为145mm×73mm×0.7mm的玻璃片，然后采用1500目的金刚石沙盘研磨60min，再进行一次抛光（抛光粉为氧化铈＋聚氨酯抛光）120～150min，二次抛光（氧化铈＋阻尼布）加工30min，最终获得尺寸约为145mm×73mm×0.6mm的玻璃薄片试样。将玻璃薄片试样均匀插入不锈钢样品架上，随后浸入450℃、100%KNO3熔融盐中保温5h，完成化学强化。将化学强化后的玻璃薄片试样表面用5%的柠檬酸超声浸泡5min，再用5%的氢氧化钠超声浸泡5min，最后在超纯水中超声清洗20min，得到表面清洁的化学强化玻璃试样。?

（2）测试与表征

将制备得到的化学强化玻璃测试其离子交换深度（DOL）和压应力大小（CS），四点抗弯（4PB）性能以及抗冲击性能，具体测试条件如表2所示。

表2试样的主要测试项目及测试条件

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结果

（1）DOL和CS

化学强化后各试样的DOL和CS随着组分的变化规律见图1。

图1化学强化后试样的DOL和CS随组分变化而变化的规律

在优化的化学强化工艺下，J-01试样的DOL为30?μm左右，其表面压应力CS为1108MPa。当玻璃中的SiO2进一步被Al2O3取代，试样的DOL增加，CS下降。但Al2O3通过取代SiO2，其摩尔百分数从8.93增加到9.50，DOL和CS分别为33.0?μm和1064MPa。如在此组分中，再继续增加Al2O3的量（9.50增加至9.70），试样的DOL迅速增加到43?μm左右，CS急剧下降到884MPa（J-03试样）。通过增