加强玻璃强度的几个办法：

用超声波使结构聚合

用连续的强声波或超声波在200～300℃下作用于慢冷的玻璃,使结构聚合。

加热拉伸

把玻璃棒在电炉中加热,沿棒的中心,以0.0001～0.0003厘米/秒的速度拉伸,拉伸后急速冷却,拉伸程度愈大,强度愈高。

平板玻璃也可用拉伸法提高强度。

热中子照射,使结构紧密

如玻璃中的钙(Ca)受中子照射后,产生钛(Ti)和钪(Sc)、离子半径由Ca的1.06,减低到So的0.64,因而使结构紧密。

捷克试验用热中子照射玻璃后,强度增加,各种玻璃零件都可用此法处理。

γ射线照射,使离子填满结构中缺陷

将垂直引上法的窗玻璃用γ射线照射,强度增加,试验者推测这是由于网状调整物离子的扩散,占满结构中的缺陷。

但必须选择合适的γ射线剂量,太低不起作用,太大造成辐射损伤,甚至破裂。

进行淬火(钢化)

淬火是大家所熟悉的,除了用空气做淬冷介质外,还可以采用油(机油、变压器油等)、熔盐(如硝酸钾)、低熔点金属与合金(如伍德合金等)。

薄平板玻璃(3毫米以下)用空气钢化效果不好,我们采用的是20号机油或15号机油加热到150℃左右。

器皿、瓶罐等可在成型后立即投入加热到150℃的机油中。

熔盐(硝酸钾)既可作离子交换,也可以作淬冷介质。

低熔点金属与合金作钢化介质,可以得到很大的淬火度,但我们发现工艺制度不易掌握,往往淬火时破损很大。

有机硅(硅油等)也可作淬冷介质,但成本高,且易挥发,但可得到抗折强度70～80公斤/毫米2的玻璃。

淬火玻璃的缺点是“自爆”问题,其原因很多,很难完全防止。

我们认为只有在出厂前采用热冲击法检验,将冷却的成品迅速放入加热到670℃的电炉中保持45秒钟,有缺陷的产品即在此“自爆”,避免出厂后造成损失。

表面离子交换(化学钢化)

离子交换有两种:一种是以半径大的离子交换玻璃中半径小的离子,如K+代Na+,使玻璃表面产生压应力,达到钢化目的。

此法的特点是处理温度低(如用KNO3熔盐处理温度在380℃左右),时间长(几个小时到几十小时)。

处理后强度可达80公斤/毫米2,玻璃表面不失去光滑性,尺寸不会变化。

用此方法可制造航空玻璃的观察窗。

第二种是通过离子交换法在玻璃表面形成膨胀系数比玻璃基体小的薄层,当冷却时便因表面与基体收缩不一致,在表面形成压应力。

如用Na2O—Al2O3—SiO2玻璃在850℃下放在Li2SO4为主的熔盐中,Li+与玻璃中Na+交换,在表面形成线膨胀系数很小的β锂霞石(Li2OAl2O3·2SiO2),冷却时造成压应力,使强度提高,可达到40～60公斤/毫米2。

此法交换时间短(几十分钟即可),硬度高,不易磨损,长时间使用,强度不会下降,厚2.5毫米的玻璃可弯曲成S形不损坏,商品名称Chemcor。

此玻璃可作喷气飞机与汽车风挡玻璃,宇宙飞船观察窗的内层玻璃以及防弹玻璃。

除了上述两种方法,还有以铜卤素化合物的蒸汽在600℃左右与玻璃进行离子交换的方法,以铜交换碱来提高强度。

化学钢化是通过化学处理以改变制品的表面组成及状态,其强度可高达每平方吋100,000磅。

防止表面微磨损及活性介质的作用

玻璃纤维表面积大,在制造和贮存过程中,防止表面微磨损及活性介质作用有很重要的意义。

回收瓶(啤酒瓶、汽水瓶)在多年使用中,微磨损及活性介质作用可使强度降低,经7年使用,强度降低50%。

在食品厂装瓶生产线上与运输过程中,减少微磨损及活性介质作用(贮存于干燥之处)还是有作用的。

表面玻璃涂层

在玻璃表面涂上一层低膨胀系数玻璃,冷却时表面收缩,形成压应力层,也可提高强度。

但表面涂层玻璃与基础玻璃膨胀系数不宜相差过大,以免开裂。

也可在玻璃表面上涂低熔点玻璃涂层,消除表面裂纹提高强度。

玻璃纤维太细,冷却速度太快,无法用普通方法淬火,因此,也用此法在硼硅酸盐玻璃表面包复一层高硅氧玻璃,使强度增加了140公斤/毫米2。

表面酸处理

也称酸洗法,通过酸侵蚀,除去表面裂纹层,或使裂纹形状变钝,减少应力集中。

通常用氢氟酸并加入一定量的硫酸,侵蚀深度不应超过0.1毫米,经过酸洗,强度可提高3～4倍,最高可提高10～14倍。

无色瓶罐经酸洗后,破坏强度由240公斤提高到360公斤,玻璃管原抗折强度15公斤/毫米2,经过酸处理可提高到60公斤/毫米2。

粗纤维处理后强度可增加3倍,细纤维(5～7μ)强度增加25～30%。

平板玻璃酸处理后,抗折强度可达50～60公斤/毫米2,可弯曲成U形不破裂。

酸洗后的表面还有可能再因磨损产生新的裂纹,必须立即施加有机硅涂层,才能继续保持高强度。

酸洗法的缺点是工艺条件不易控制,处理不当会产生表面不光滑,同时会产生污染。

表面有机涂层处理

表面有机涂层有多种类型:有机硅、树脂、塑料等。

有机硅使玻璃表面形成有机聚硅氧烷憎水膜,并通过公用硅氧键而与玻璃表面联接起来。

高温下,有机基团除去而剩下硅氧膜,此硅氧膜填充于裂纹中,而使裂纹愈合,同时还有憎水性,因而可避免活性介质在裂纹中的扩展。

常用的有机硅有二乙基二氯硅烷(C2H5)2SiCl2、苯基三氯硅烷C6H5SiCl3、聚硅烷、硅酮等。

厚3～6毫米的平板玻璃采用二乙基二氯硅烷处理后,抗弯曲强度可从5.1公斤/毫米2提高到22公斤/毫米2。

树脂涂层有采用环氧树脂外加不同染料和色料来涂布瓶罐的,可以吸收紫外线,抗磨损能大为提高,完全可以满足高速装瓶作业线的要求。

在瓶罐外面涂聚氯乙烯,抗压强度提高30%、抗冲击强度提高40%;涂聚乙烯的抗压强度提高5%,抗冲击强度提高70%。

表面无机涂层

表面无机涂层有钛、锆、锡、钒等化合物,常用的是Sn2+、Sn4+与Ti的无机化合物涂层。

生产中已实际采用的四氯化钖(SnCl4),分解后成二氧化钖(SnO2)的薄膜,使玻璃的化学稳定性及机械强度均有所提高。

瓶罐减重20～30%,涂以SnCl4薄层,抗压强度还可提高49%。

玻璃瓶罐成型后也可用四氯化碳(CCl4)喷涂,然后送入退火炉,由于CCl4使玻璃中钠离子由表面析出,留下了富SiO2层,使耐内压强度大为提高。

除了采用Sn与Ti的氯化物外,也可采用有机物如油酸亚钖、硬脂酸亚钖、软脂酸亚钖等。

日本已生产了增强涂层二氯二甲基钖(CH3)2SnCl2,商品名称Glahard,并在市场上出售。

表面金属涂层

玻璃纤维从拉丝喷嘴拉出,通过Cu、Zn、Pb、Sn、Al、Ag、Ti熔融金属槽,涂上金属层。

也可分两个步骤,先涂低熔点中间层,纤维经过Sn、Bi、Cd、Pb、Zn、In、Sb、Mg、Al等熔融盐的槽,然后以此为阴极,再以电解法、真空蒸发涂上耐磨的不锈钢、Cu、Fe、铬合金、Cd、In、Ni等,可增加强度与耐磨性。

表面的综合处理

在玻璃表面采用多种处理方法,以得到比一种表面处理方法更优良的性能,称为表面综合处理,有下列几种类型:

玻璃先加热到软化温度,然后再在空气中冷却,最后在20%氢氟酸中处理,侵蚀层深0.1毫米。

3毫米到5毫米的平板玻璃用引上法处理,强度可达到100～150公斤/毫米2。

平板玻璃先淬火,然后用氢氟酸和硫酸混合液洗去裂纹,最后再用变压器油脱水,这样可达到最大的强度。

酸洗时必须注意侵蚀深度不能超过玻璃淬火时表面应力层深度,如果酸洗时把表面应力层侵蚀掉,就会影响强度的提高。

玻璃瓶罐先在表面喷SnCl4,然后再用0.07%聚氯乙烯和蜡或石蜡混合液喷涂表面,强度显著提高,且经过几个月流通使用后其强度仍比未处理的高。

玻璃管先涂上一层塑料,然后塑料涂层外再喷上一层铁——镍合金便得到高强度抗磨损的玻璃管。

当采用锡或钛的有机化合物对热态玻璃制品进行喷涂增强的技术后,可提高玻璃制品的机械强度及抗磨擦特性,抗冲击强度提高近一倍。

玻璃与其他材料成复合材料

复合材料是材料发展的方向,具有一系列的优越性能,夹丝(嵌丝)玻璃即是较早的复合材料,1932年开始研制了玻璃纤维增强塑料(玻璃钢),近年来得到很大发展,其强度(强度与密度的比值)很高,比合金钢高1.7倍,比铝高1.5倍,比钛钢高1倍。

除了纤维增强塑料外,还有玻璃薄片增强塑料(薄片玻璃钢),玻璃细珠增强塑料与用空心玻璃细珠增强塑料(Syntacticfoam)。

夹层玻璃是大家所熟悉的,近年除了用平板玻璃制造外,还应用了钢化玻璃与化学钢化玻璃。

HPR是近年来迅速推广的汽车风挡玻璃,外层是普通玻璃,中间是一层塑料层,内层是化学钢化玻璃,5磅球的击穿高度达6米。

波音747超音速喷气客机的风挡玻璃,其外层是2.2毫米厚的化学钢化玻璃,中间为两片长链丙烯,内层为3.2毫米厚的耐磨聚酯树脂,用聚乙烯醇缩丁醛胶合而成。

用两片2.8毫米厚的微晶玻璃,中间用有机粘接材料胶合,可用作喷气歼击机的风挡玻璃。

在瓶罐制造中,特别是轻瓶生产中也采用了塑料玻璃复合瓶,在玻璃瓶外面加塑料套,增加了冲击强度。

以上提高强度的十九种方法,基本上是三个方面:1)选择合适的玻璃成分;2)改进工艺制度;3)表面处理。

通过这些途径以达到制取高强度的、宏观和微观缺陷都很少的玻璃。

通过改变成分来提高强度的数值是有限的,而且成分的大幅度变化,给生产工艺会带来一系列的困难。

在玻璃生产中采用了各种自动控制仪表,改进工艺制度,特别是改进熔制工艺,使玻璃熔化均匀,退火完善是切实可行的。

至于高压处理、热中子与γ射线照射、超声波聚合等还处于研究阶段,用于大规模工业生产尚存在不少有待解决的问题。

表面处理近年来得到广泛的应用,方法简便,提高强度效果显著。

国内有机材料价格较贵,来源也有问题,在现阶段大量推广使用有机涂层还有困难,但它是有发展前途的。