Упрочнённое стекло

Стекло по своей структуре очень хрупкое и очень легко, неконтролируемо разрушается на множество острых осколков, которые являются травмоопасными, поэтому обычное стекло мы редко применяем в нашем жилище и все чаще создаем технологии, которые направленны на упрочнение стекла. Упрочненное стекло все больше входит в нашу жизнь и начинает окружать нас в большом количестве. Мы применяем его в автомобилестроении, в изготовлении посуды, во внутреннем обустройстве нашего дома, при строительстве зданий и при производстве самолетов, кораблей и прочей техники, которая украшает наш уют и защищает спокойствие.

Стекло по своей структуре очень хрупкое и очень легко, неконтролируемо разрушается на множество острых осколков, которые являются травмоопасными, поэтому обычное стекло мы редко применяем в нашем жилище и все чаще создаем технологии, которые направленны на упрочнение стекла. Упрочненное стекло все больше входит в нашу жизнь и начинает окружать нас в большом количестве. Мы применяем его в автомобилестроении, в изготовлении посуды, во внутреннем обустройстве нашего дома, при строительстве зданий и при производстве самолетов, кораблей и прочей техники, которая украшает наш уют и защищает спокойствие.

ВИДЫ УПРОЧНЕННОГО СТЕКЛА

1. Термически упрочненное стекло. Стекло нагревают до температуры отпуска внутренних напряжений 630-650°С, а затем резко охлаждают. В результате, образуются поверхностные напряжения сжатия, которые повышают механическую и термическую стойкость. Закаленное стекло в несколько раз прочнее обычного и при разрушении происходит дефрагментация на небольшие куски с округленными, безопасными краями (примерно 50 -130 шт/25 см2). После термического упрочнения стекла, его нельзя резать или подвергать другим видам обработки, поэтому оно должно сразу изготавливаться в размер. Данное стекло является безопасным.
2. Химически упрочненное стекло.  Данное стекло имеет повышенную прочность. При механическом воздействии стекло разбивается на длинные, острые осколки, по этой причине такое стекло не считается безопасным. Химически упрочненное стекло изготавливают путем погружения в ванну с нитратом калия при температуре 450°С. В процессе ионообмена, ионы натрия находящиеся в стекле, заменяются ионами калия из раствора в ванне, чем создают поверхностное напряжение. При химическом упрочнении стекла не используется метод перепада температур, благодаря чему стекло не деформируется, и в нем не появляются оптические искажения.

ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЕННОЕ СТЕКЛО

Закалка стекла является наиболее распространенным методом упрочнения стекла и состоит в создании постоянных внутренних напряжений путем охлаждения материала от температур, превышающих температуру стеклования, при которых стекло обладает пластичными свойствами. При быстром охлаждении размягченного стекла сначала затвердевают наружные слои, в то время как во внутренних слоях сохраняется высокая температура. Поверхностные холодные слои препятствуют свободному сокращению внутренних участков и при дальнейшем охлаждении наружные слои сжимаются, а внутренние растягиваются. “Замораживание” вязкотекучих деформаций сопровождается возникновением структурного градиента; менее плотная структура фиксируется в наружных слоях. Этот метод известен также как термическое или физическое упрочнение. С увеличением интенсивности охлаждения, образующиеся в нем сжимающие напряжения возрастают. Эффективность применения закалки зависит от химического состава стекла, толщины и геометрии изделия и температурно-временных условий охлаждения стеклянных изделий.  Увеличение прочности стекла зависит от интенсивности его охлаждения, при этом, чем тоньше стекло, тем больше должна быть интенсивность его охлаждения, что создает низкую эффективность для тонких номиналов. После закалки стекла, его прочность на удар возрастает в 10 раз, а прочность на изгиб, более чем в 5 раз, чем у обычного стекла, до термоупрочнения. Так же не забудем, что термостойкость стекла повышается в 4-5 раз.

Главное достоинство термоупрочненного стекла это то, что оно является безопасным при разрушении, так как при его дефрагментации образуются мелкие безопасные осколки. Главным недостатком является то, что при термическом воздействии на стекло, во время закалки, оно теряет плоскостность. Другим значительным недостатком, это образование во внутренних слоях стекла растягивающих напряжений, которые могут приводить к саморазрушению стекла, а это недопустимо для некоторых его мест применения, так как при разрушении термоупрочненного стекла, мелкие его фрагменты создают “0” видимость.

ХИМИЧЕСКИ УПРОЧНЕННОЕ СТЕКЛО

Более распространенное название этого метода  - ионообменный метод упрочнения стекла. В его принципе лежит процесс ионного обмена, который заключается в вытеснении ионов щелочных металлов из поверхностного слоя нагретого пластичного стекла ионами других щелочных металлов. Для этого стекло погружают в расплав соли диффундирующего щелочного металла при температуре ниже высшей температуры отжига с тем, чтобы возникающие напряжения не релаксировали, но сохранялись в стекле. Ионный обмен может быть низкотемпературным, высокотемпературным и комбинированным (двойным).

При низкотемпературном ионном обмене (температура расплава 420 °С) щелочные ионы в поверхностном слое стекла замещаются щелочными ионами с большим ионным радиусом. Так, ионы Na+ с радиусом 0,098 нм замещают обычно ионами К+ с радиусом 0,133 нм. При этом полости кремнекислородного каркаса в структуре стекла уменьшаются и структурная сетка поверхностного слоя стекла уплотняется на глубину сжатого слоя 150- 200 мкм. Напряжения сжатия при этом составляют 40-60 МПа. Это приводит к возрастанию механической прочности стекла в 6 - 8 раз, а термостойкости в 1,5—2 раза.

При высокотемпературном ионном обмене (температура расплава 620 °С) щелочные ионы в поверхностном слое стекла в противоположность низкотемпературному процессу замещаются щелочными ионами с меньшим ионным радиусом. Так, ионы Na+ и К+ стекла замещаются ионами лития из расплава Li2S04 с ионным радиусом 0,068 нм, которые способны проникать в стекло на глубину до 250 мкм. Силикаты лития имеют меньший коэффициент термического расширения, чем силикаты натрия и калия; поэтому при охлаждении стекла диффузионный поверхностный слой сокращается в меньшей степени, чем внутренние слои: следовательно, в нем появляются напряжения сжатия, которые приводят к увеличению механической прочности и термической стойкости стекла. В связи с тем, что толщина сжатого слоя при высокотемпературном ионном обмене больше, чем при низкотемпературном, упрочнение в этом случае может быть 10—12-кратным. Дополнительного упрочнения можно достичь при обработке стекла, упрочненного ионами лития, в расплаве соли калия. Разница между ионными радиусами Li+ и К+ больше, чем в случае Na+ и К+, что и дает значительный упрочняющий эффект.

Комбинированный метод упрочнения стекла довольно широко известен производителям. Существует несколько его видов, основным методом и получившим практическую реализацию можно отнести термофизический способ - травление+закалка. Дополнительное травление закаленного стекла приводит, к резкому повышению его прочности. Второй метод, это ионный обмен+ травление и последний, закалка + ионный обмен. При этих комбинациях упрочнения стекла можно компенсировать (частично) недостатки, присущие каждому способу: один из методов предполагает получение высокопрочного материала, другой - стекла с глубоким сжатым слоем.

В нашей стране нашло промышленное применение упрочнение стекла за счет ионного обмена в низкотемпературном варианте.

Химически упрочненное стекло, которое обладает повышенной прочностью, но разрушается длинными заостренными осколками, похожими на поплавок, как у сырого стекла. По этой причине,  химически упрочненное стекло не считается безопасным и должны быть обязательно заламинированным, но это и является достоинством, так как это стекло при разрушении не создает «0» видимость, соответственно его можно применять в производстве стекол, которые необходимы в военной, морской, автомобильной и авиационной промышленности. Также, в отличие от закаленного стекла, химически упрочненное стекло может быть разрезано после упрочнения, но теряет дополнительную прочность в области примерно 20 мм от линии реза. Когда поверхность химически упрочненного стекла поцарапана, эта область теряет дополнительную прочность.

Химически упрочненные стекла имеют более высокий коэффициент прозрачности для УФ и ИК лучей в видимом диапазоне. Это позволяет применять его в системах вооружения и конструктора используют стекла, упрочненные химическим путем в  приборах наведения, на основе радиочастотного, инфракрасного или лазерного целеуказания. Сторонники этого стекла подчеркивают, что химически упрочненное стекло может применяться не только для использования в военных целях, но оно может быть использовано в многочисленных гражданских применениях, требующих прочность и оптическую прозрачность. Это стекло также полезно для видовых экранов, защитных чехлов и передней поверхностью оптики в агрессивных средах, где рабочие элементы должны быть защищены от высокой температуры, высокого  давления или глубокого вакуума. Также данные стекла используются в рабочем окне сканеров, которые  находятся в продуктовых магазинах или в терминалах покупки билетов на самолет или поезд.

Химически упрочненное стекло в сравнении с термическим имеет следующие преимущества:

• Улучшенная ударопрочность;
• Улучшенная гибкость, прочность;
• Улучшенная стойкость к царапинам;
• Улучшенная устойчивость к изменениям температуры.

На фото приведены виды дефрагментации стекла при ударе (слева направо: сырое стекло, ламинированное стекло, химически упрочненное стекло, закаленное стекло).

Звоните и заказывайте оборудование для фотопечати на стекле, оборудование для термообработки стекла.

Для получения дополнительной информации, свяжитесь с нашими менеджерами.