钢化玻璃是什么?关于钢化玻璃的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:45:55

钢化玻璃是一种通过受控的热处理或化学处理普通玻璃来提高强度的安全玻璃。回火使外表面受压,内表面受拉。这种应力会导致玻璃破碎后变成小颗粒块,而不是像平板玻璃(又称退火玻璃)那样破碎成锯齿状碎片。颗粒块碎片会减小造成伤害的可能性。

由于其安全性和强度,钢化玻璃被用于各种对材料性能有高要求的应用中,包括客车窗户、淋浴门、建筑玻璃门和桌子、冰箱托盘、移动屏幕保护器、防弹玻璃部件、潜水面罩以及各种类型的盘子和炊具。

性能

汽车后窗的钢化玻璃。当通过偏振滤光器拍摄时,可以清楚地看到玻璃应力的变化(下图)。

钢化玻璃在物理性能和热学性能上都比普通玻璃强。制造过程中内层的巨大收缩会在玻璃表面产生压应力,压应力与玻璃体内的拉应力相平衡。考虑到钢化玻璃的回火,玻璃表面的压应力至少应为69兆帕(10000磅/平方英寸(psi))。如果要将其视为安全玻璃,表面压缩应力应超过100兆帕(15000磅/平方英寸(psi))。由于表面应力的增加,如果玻璃破碎,它只会破碎成小的圆形碎片,而不是锋利的锯齿状碎片。这一特性使得将钢化玻璃在高压和防爆应用中来说是安全的。

正是这种压缩应力增加了钢化玻璃的强度。这是因为几乎没有内应力的退火玻璃通常会形成微观表面裂纹,任何施加的张力都会在表面放大,从而降低扩展裂纹所需的张力。一旦它开始传播,张力就更容易被放大,导致它以音速在材料中传播。因此,退火后的玻璃很脆弱,会破碎成不规则的尖锐碎片。任何切割或研磨必须在回火前完成。回火后的切割、研磨和剧烈冲击会导致玻璃破裂。

回火产生的应变图案可以通过光学偏振器观察,例如一副偏振太阳镜。

应用

PPG为克莱斯勒汽车制造的汽车通风窗上的安全认证标志。

带屏幕保护装置的警车

当强度、耐热性和安全性成为重要考虑因素时,我们会考虑使用钢化玻璃。例如,客车就有这三个要求。因为它们长期停放在室外,所以它们全年都会受到持续的受热和受冷以及剧烈的温度变化。此外,它们必须能够承受石块等道路碎片以及汽车事故的小冲击。因为大而锋利的玻璃碎片会给乘客带来额外的不可接受的危险,所以会使用钢化玻璃,如果玻璃破碎,碎片会变钝,基本上不会造成伤害的。挡风屏幕或挡风罩由胶合玻璃制成,当破碎时胶合玻璃不会碎成碎片,而侧窗和后挡风玻璃通常用的是钢化玻璃。

钢化玻璃的其他典型应用包括:

  • 阳台门
  • 体育设施
  • 游泳池
  • 建筑物的正面
  • 淋浴门和浴室区域
  • 展览区域和展台
  • 电脑主机或外壳
建筑物和结构

钢化玻璃也用于建筑物中的无框架组件(如无框架玻璃门)、结构负载应用以及任何其他在人类撞击时会变得危险的设施。钢化和热强化玻璃的强度是退火玻璃的三到七倍。美国的建筑法规要求在以下几种情况下要使用钢化玻璃或胶合玻璃,包括一些天窗、 靠近门口和楼梯、大窗户、接近楼层的窗户、滑动门、电梯、消防部门的检修面板和靠近游泳池的地方。

家用

钢化玻璃也用于家庭中。一些使用钢化玻璃的常用的家用家具和设备有:无框架淋浴门、玻璃桌面、替换玻璃、玻璃架子、橱柜玻璃和壁炉玻璃等。

餐饮服务业

“边缘钢化”表示在特定的区域,例如玻璃或盘子的边缘,使用钢化玻璃,这在餐饮服务业中是很受欢迎。然而,也有专业制造商提供对杯具进行完全钢化/强化的方案,这可以使得在强度和抗热震性上带来更好的性能提升。在一些国家,这些产品被指定要使用在需要高性能玻璃或由于频繁使用而需要更安全玻璃的场所。

钢化玻璃在酒吧和酒馆的使用也越来越多,特别是在英国和澳大利亚,以防止碎玻璃被用作武器。钢化玻璃产品在酒店、酒吧和餐馆被广泛使用,以减少破损和提高安全标准。

烹饪和烘焙

一些钢化玻璃用于烹饪和烘烤。相关的制造商和品牌有Glasslock、Pyrex、Corelle和Arc International。

移动设备

大多数触摸屏的移动设备会使用某种形式的钢化玻璃(如Corning公司的大猩猩玻璃), 这些设备的一些售后屏幕保护器也是如此。

制造业

经过层压的钢化安全玻璃在破裂时通常不会从框架上脱落——这通常是由于玻璃上涂有防碎薄膜,如杂货店的售肉柜台所示。

钢化玻璃可以通过对退火玻璃进行热钢化工艺制成。玻璃被放在一个辊道上,通过一个炉子,炉子将玻璃加热到相变温度564℃(1047℉)到620℃(1148℉)左右。随后玻璃经过通风快速强制冷却,同时玻璃内部在短时间内保持自由流动。

另一种化学增韧方法是通过将玻璃浸入熔融硝酸钾中,使玻璃表面的钠离子与钾离子(比钠离子浓度高30%)进行离子交换,迫使至少0.1毫米厚的玻璃表面层受压。与热钢化过程相比,化学增韧提高了韧性,并且可以应用于复杂形状的玻璃物体。

不足之处

钢化玻璃必须在钢化前切割成一定的尺寸或压制成一定的形状,而且钢化后不能再加工。抛光玻璃边缘或钻孔是在钢化过程开始前进行的。由于玻璃中的平衡应力,任何部分的损坏最终都会导致玻璃破碎成极小的碎片。当玻璃的边缘损伤时,玻璃最容易破裂,因为边缘的拉伸应力最大,但是如果在玻璃板中间发生强烈碰撞或碰撞集中(例如,用硬化点撞击玻璃),也会发生碎裂。

在某些情况下,使用钢化玻璃会带来安全风险,因为玻璃在受到猛烈撞击时会完全破碎,而不会在窗框中留下任何碎片。

如果钢化玻璃是用这种方法形成的,那么钢化玻璃的表面会出现由与压平辊接触引起的表面波。这种波纹是薄膜太阳能电池制造中的一个重要问题。浮式玻璃工艺可制作非常平滑和平行表面的低变形材料,可作为制作不同玻璃设备的替代方案。

历史

法国巴黎的Francois Barthelemy Alfred Royer de la Bastie (1830-1901)在1874年首次开发了一种通过在加热的油浴或油脂浴中淬火几乎熔化的玻璃来钢化玻璃的方法 ,这种方法于1874年8月12日在英国获得专利,专利号为2783。为纪念la Bastie,钢化玻璃有时也被称为Bastie玻璃。1877年,德国Friedrich Siemens开发了一种不同的工艺,有时称为压缩玻璃或西门子玻璃,通过在冷模具中压制玻璃,生产出比Bastie玻璃更强的钢化玻璃。 第一项制造钢化玻璃全过程的专利由化学家Rudolph A. Seiden持有,他于1900年出生在奥地利,1935年移民到美国。

虽然当时还不知道其潜在的机理,但是“钢化”玻璃的影响已经持续了几个世纪。大约在1660年,莱茵河的鲁珀特王子将如今被称为“鲁珀特王子的水滴”的发现提请查理二世国王注意。“鲁珀特王子的水滴”是泪珠状的玻璃碎片,是通过让熔融的玻璃滴落入水桶中,从而快速冷却而产生的。它们可以承受锤子对球部的打击而不断裂,但是如果尾端受到轻微损坏,水滴会爆炸分解成粉末。