不同功率超声波对玻璃化学钢化离子交换的影响
时间：2020-03-30 05:22:13 来源：千叶帆 本文已影响人
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摘要： 本文介绍了超声波作用原理，通过不同功率超声波对玻璃化学钢化离子交换的作用，测试得到相关结果并分析超声波对离子交换过程的影响，以及在不同种类玻璃的化学钢化的离子交换过程中，确定合适的超声波参数，主要是超声波的功率和时间，从而提高离子交换效率。
Abstract： This paper introduces the principle of ultrasonic， gets ultrasonic test results and analyzes the effect of ultrasonic wave on the ion-exchange process through effect of the different power ultrasound on chemical tempered glass ion-exchange， as well as determines the appropriate ultrasonic parameters in the different kinds of chemical tempered glass ion-exchange process， mainly ultrasonic power and time， so as to improve the efficiency of ion-exchange.
关键词： 超声波；化学钢化；离子交换
Key words： ultrasonic；chemical tempered；ion-exchange
中图分类号：TU112.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）33-0129-02
0 引言
玻璃化学钢化是利用离子扩散原理改变玻璃的化学组成，即在玻璃转变温度以下，熔盐中半径较大的碱金属离子置换玻璃表层半径较小的碱金属离子，产生互相扩散的过程。在熔盐的大离子占据玻璃表面层中小离子的位置时，由于玻璃表面体积膨胀而产生压应力层，就会阻止表面裂纹而受力扩展[1，4，5，6]。由此可见，离子交换会直接影响钢化效果，而影响离子交换因素有温度、时间、熔盐、添加剂、电场和超声波等。
超声波是频率在20kHz以上的声波。当频率为20kHz～100 kHz的超声波作为能量作用在玻璃上时，离子交换效果随声强而呈线性地增加，但频率似乎影响不明显[2]。当熔盐和玻璃表面接触受到超声波辐射时就会瞬间空洞，以气泡破裂的方式发生变形作用，冲击玻璃表面，从而对玻璃表面产生侵蚀作用，快速增加接触表面积，使得熔盐大离子和玻璃中小离子快速交换。同时超声波也可以转化为热能，生成的能量取决于熔盐对超声波的吸收。熔盐吸收超声波的能量随温度升高。超声波的机械作用具有辐射压强和超声压强，使得熔盐大离子和玻璃中小离子激烈碰撞，加快离子扩散。因此，超声波热学机理、超声波机械机制和超声波空化作用成为化学钢化离子交换的理论依据。
1 试验方法
1.1 样品制备
将1.3mm厚度的普通玻璃切割成60mm×110mm的小片，用乙醇清洗，然后再经过超声波清洗和干燥。熔盐以KNO3为主，加入少量的添加剂KOH。试验温度确定在410℃。所用仪器主要有FSM-6000LE型表面应力测试仪（深圳市田野仪器有限公司生产），HXD-2000TMC/LCD硬度仪（上海光学仪器一厂），SKZ-10000A数显抗折仪一台（无锡建仪实验器材有限公司），可调功率为100W～1000W的超声波仪器（昆山超声波仪器厂生产）。用以上主要仪器测得试验结果。试验中设置功率为150W、250W、350W、450W、550W、650W、750W、850W和950W。用这九组不同功率对化学钢化进行超声，超声时间分别为4h和6h，测得相关试验结果。
1.2 试验步骤
首先调制熔盐。将熔盐槽放入加热炉，接通电源使KNO3熔化，并且将温度升至410℃。同时将干燥好的玻璃片整齐摆放插架，放在预热炉进行预热。当加热炉温度稳定时，先接通超声波仪器，设置应设定的功率，输入超声波，目的是使离子交换在超声波的作用下进行。再将插架放入熔盐槽进行离子交换，在规定的时间经过超声波的作用后，取出插架迅速放入预热炉缓慢降温。当温度降至60℃时，取出慢慢冷却到室温。然后，关掉超声波仪器。最后经过乙醇清洗、超声波清洗和干燥，从而清洗掉附在玻璃表面的杂质。
2 试验结果与分析
2.1 试验结果
①钢化玻璃应力层深度。
采用FSM-6000LE型表面应力测试仪测试钢化玻璃应力层深度，得到钢化玻璃应力层深度，如图1所示。
②钢化玻璃表面应力。
测试钢化玻璃表面应力同样采用FSM-6000LE型表面应力测试仪，得到钢化玻璃表面应力，如图2。
③钢化玻璃抗折强度。用三点弯曲法测试钢化玻璃抗折强度，测试设备为SKZ-10000A数显示抗折仪，测得结果如图3所示。
④钢化玻璃硬度。
采用HXD-2000TMC/LCD硬度仪测试钢化玻璃硬度，负荷为1800N，施压时间为8s，得到钢化玻璃硬度如图4。
2.2 试验结果分析
由于超声波具有强烈的震动作用，使得杂质振动，从而使杂质与玻璃之间的粘附力降低，达到清洗的效果。从图1可以看出，应力层厚度随着超声波功率增加而增加。从离子扩散动力学角度分析[3]可知，活化能和温度是决定离子扩散系数的主要因素。在超声波的作用下，超声波的能量一部分转化为热能，使得熔盐温度提高。
同时，在超声波空化作用、超声波辐射压强和超声压强的影响下，熔盐中的大离子提高了其活化能，加速了熔盐大离子与玻璃小离子碰撞以及离子之间的交换。随着功率的增加，活化能同样提高，因此，离子的交换深度就得到提高[7，8]。
通过图1和图2的比较可以看出，随着应力层厚度增加，应力并没有因此随之增大。在超声波功率为250W～450W阶段，应力处于上升趋势；且在超声波功率为450W的时候，应力达到最大值；超声波功率超过450W之后，应力反而处于下降趋势。应力层厚度增加，是大离子不断更换玻璃中小离子的结果。在更换的过程中，大离子占据使得玻璃表面出现裂纹，还有可能是熔盐中的小离子占据玻璃的小离子，从而出现应力松弛现象。图3和图4表明，硬度和抗折强度是高低起伏的，应严格控制超声波功率和超声的时间。对于厚度为1.3mm的薄玻璃化学钢化，在温度在410℃时应力到达最大值的最佳条件是超声波功率为350W，超声时间为4h。
3 结论
①超声波的清洗作用在传统清洗领域可发挥很大的作用，可以清洗复杂结构的零件。
②超声波能够促进玻璃化学钢化离子交换，提高离子交换的效果。在不同种类玻璃化学钢化时，可以确定合适的超声波参数（功率和时间等），对1.3mm厚度的普通玻璃，其最佳超声波功率为350W，超声时间为4h。
③超声波和其他行业技术结合，可以达到一定的效果。
参考文献：
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