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【課堂】氧化鋁在高鋁硅酸鹽玻璃中的應用

無錫新光 2018-05-12 | 閱讀：9056

氧化物玻璃體系中，鈉鈣硅玻璃是最傳統(tǒng)、古老和用量最大的玻璃，比如建筑用的門窗、幕墻玻璃，普通的玻璃器皿通常都是鈉鈣硅玻璃。隨著技術的發(fā)展和玻璃應用領域的不斷擴展，需要更優(yōu)異性能的玻璃，對于不同的性能要求，人們采用不同的玻璃組份來滿足應用性能的需求；比如，硼硅酸鹽由于具有低的膨脹系數(shù)和高的軟化溫度用來做防火玻璃。而鋁硅酸鹽玻璃與硼硅酸鹽玻璃和鈉鈣硅玻璃相比具有良好的機械性能和化學鋼化性能等。離子交換后，鋁硅酸鹽玻璃增強效果顯著，甚至在減薄的情況下依然保持高強度。

由于鈉鈣硅玻璃作為窗玻璃、擋風玻璃和基片玻璃時，其硬度和機械性能不高，尤其是作為平板顯示觸摸屏玻璃時，玻璃表面抗劃傷性和抗沖擊性均不是很好，并且作為建筑玻璃和汽車擋風玻璃時，更需要達到一定的硬度、機械性能和良好的化學穩(wěn)定性能，普通鈉鈣硅玻璃就要達到一定的厚度才能應用。而厚玻璃也增加了生產(chǎn)玻璃所需的能耗和原料，使得玻璃價格提高，更重要的是增加了器件的自身重量，從而影響了產(chǎn)品的推廣。鋁硅酸鹽玻璃正順應了這一市場的需求。美國康寧公司推出了高鋁硅玻璃——“金剛”玻璃系列產(chǎn)品，最典型的的應用就是用作iphone等手機的蓋板玻璃，2017年全球智能手機出貨量達到17億部，航空航天、高鐵、船舶、新能源汽車等都需要高強度的新型玻璃，高鋁硅玻璃成了未來高強度玻璃發(fā)展趨勢。

在普通鈉鈣硅玻璃中，Al₂O₃含量一般很低，不會超過2%。隨著電子行業(yè)的高速發(fā)展，鋁硅酸鹽由于其具有機械強度高、耐磨性好等優(yōu)點，用的越來越多。鋁硅酸鹽玻璃根據(jù)氧化鋁含量的不同，分為中鋁和高鋁玻璃。但也很難界定出一個確定的組分含量，一般認為Al₂O₃含量高于6%的玻璃即為高鋁玻璃。

圖一高鋁硅酸鹽玻璃

Al₂O₃是改善玻璃化學穩(wěn)定性的必須成分，可以降低玻璃析晶傾向，同時也是提高玻璃硬度和機械強度、提高拉伸彈性模量的成分。在玻璃網(wǎng)絡結構中，氧化鋁是一種網(wǎng)絡中間體氧化物，介于網(wǎng)絡生成體和網(wǎng)絡外體之間。在氧化鋁含量低于2%的玻璃中，氧化鋁基本上全部以四配位形式存在。而在中/高鋁硅酸鹽玻璃中，鋁存在兩種配位，一種是四配位，這種情況下A1³⁺位于四面體之中形成鋁氧四面體[AlO₄]；一種是六配位，即A1³⁺位于八面體之中形成鋁氧八面體[AlO₆]。

圖二 [AlO₄]和[AlO₆]結構示意圖

鋁硅酸鹽玻璃以其高透過率、高強度、高硬度的物理特性在建筑、信息、航空等行業(yè)，尤其是觸控顯示行業(yè)得到迅猛發(fā)展。高鋁硅酸鹽玻璃，由于氧化鋁含量高，化學穩(wěn)定性好，化學強化后抗壓能力強、表面硬度大，目前是高檔觸摸屏蓋板玻璃的首選。

1、抗菌功能應用

高強蓋板玻璃作為觸控屏保護玻璃，其面板直接與環(huán)境和人體皮膚接觸，玻璃表面容易殘留細菌，特別是在餐廳和醫(yī)院等對衛(wèi)生要求較高的場所，減少玻璃面板的細菌非常必要。在玻璃中添加Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺可以起到抗菌和殺菌的作用，添加方式包括熔加方式和離子注入方式。

圖三高鋁玻璃在觸摸屏中的應用

2、3D曲屏應用

2014年韓國三星公司推出具有三個維度曲率變化(簡稱3D)的手機屏幕，推動了3D高鋁蓋板保護玻璃的曲面化發(fā)展。目前3D曲屏主要采用玻璃原片再熱加工，其工藝類似于平板玻璃的熱彎工藝，因高鋁蓋板玻璃軟化溫度較鈉鈣玻璃高100～200℃，因此3D曲面玻璃成型過程中需要較高的成型溫度，必須開發(fā)特殊的熱彎工藝、更耐用的模具材質(zhì)和更高精度的成型設備。

圖四高鋁硅酸鹽玻璃應用于3D曲屏

3、交通工具應用

隨著汽車工業(yè)向輕量化和智能化方向的發(fā)展，汽車廠商希望通過采用更薄的玻璃來減輕車體重量。因為堿鋁硅酸鹽玻璃具有較大膨脹系數(shù)，一般為(7～9)×10^-6/℃，具有較好物理鋼化前提條件，并且可充分體現(xiàn)其觸控屏方面的理化性能優(yōu)勢，機械強度更優(yōu)。隨著我國高鐵和大飛機的發(fā)展，高鋁玻璃將在高鐵和大飛機風擋，以及高鐵車窗得到廣泛應用，高鐵車速提升，必將需求更高力學強度的玻璃品種，高鋁玻璃將成為首選產(chǎn)品。目前，康寧已將GG產(chǎn)品延伸在福特和寶馬等高端汽車的擋風玻璃上，并與圣戈班合作開發(fā)更多可應用于汽車的玻璃品種。

圖五高鋁玻璃應用于汽車擋風玻璃

4、建筑幕墻應用

目前，幕墻玻璃普遍采用優(yōu)質(zhì)鈉鈣玻璃進行物理鋼化提升玻璃力學性能，在建筑投入使用過程中，除了外界撞擊導致破損之外，每年還有大量因玻璃自爆導致破損，在一定程度上對大廈周圍造成安全隱患。堿鋁硅酸鹽玻璃具有優(yōu)良理化性能，尤其抗劃傷和超強抗沖擊性能，如果采用同樣厚度中鋁玻璃或高鋁玻璃進行物理鋼化處理，其機械性能將提升30%～50%，甚至更高，破損幾率必將大幅下降，另外，由于中鋁玻璃或高鋁玻璃軟化溫度相對鈉鈣玻璃高100℃以上，當火災發(fā)生時有一定的防火作用。未來中鋁玻璃和高鋁玻璃必將部分或全面替代幕墻中的曲面造型和平面造型玻璃，延長玻璃幕墻的服役期，減少大廈維修和維護成本，降低幕墻玻璃的安全風險。

圖六高鋁玻璃應用于建筑幕墻

5、安全玻璃應用

安全玻璃是一類應用廣泛的玻璃品種，具有良好的安全性、抗沖擊性和抗穿透性，具有防盜、防爆、防沖擊等功能。安全玻璃多以鋼化玻璃為基礎進行復合加工而成的玻璃制品，其抗沖擊強度提升幾倍甚至更高，不同于普通玻璃、鋼化玻璃、熱增強玻璃。堿鋁硅酸鹽玻璃具有良好理化性能，并且具備物理鋼化條件，可以通過浮法工藝生產(chǎn)，厚度規(guī)格可設定為2～6mm，進行特定安全玻璃加工與生產(chǎn)，滿足防彈玻璃、艦船玻璃、航天飛行器、作戰(zhàn)飛機視窗、武器儀表視窗、銀行玻璃隔斷、私人別墅門窗、旅游觀光棧道、纜車等多方面的市場應用。