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【课堂】氧化铝在高铝硅酸盐玻璃中的应用

无锡新光粉体科技有限公司  2018-05-12  点击418次


氧化物玻璃体系中,钠钙硅玻璃是最传统、古老和用量最大的玻璃,比如建筑用的门窗、幕墙玻璃,普通的玻璃器皿通常都是钠钙硅玻璃。随着技术的发展和玻璃应用领域的不断扩展,需要更优异性能的玻璃,对于不同的性能要求,人们采用不同的玻璃组份来满足应用性能的需求;比如,硼硅酸盐由于具有低的膨胀系数和高的软化温度用来做防火玻璃。而铝硅酸盐玻璃与硼硅酸盐玻璃和钠钙硅玻璃相比具有良好的机械性能和化学钢化性能等。离子交换后,铝硅酸盐玻璃增强效果显著,甚至在减薄的情况下依然保持高强度。

由于钠钙硅玻璃作为窗玻璃、挡风玻璃和基片玻璃时,其硬度和机械性能不高,尤其是作为平板显示触摸屏玻璃时,玻璃表面抗划伤性和抗冲击性均不是很好,并且作为建筑玻璃和汽车挡风玻璃时,更需要达到一定的硬度、机械性能和良好的化学稳定性能,普通钠钙硅玻璃就要达到一定的厚度才能应用。而厚玻璃也增加了生产玻璃所需的能耗和原料,使得玻璃价格提高,更重要的是增加了器件的自身重量,从而影响了产品的推广。铝硅酸盐玻璃正顺应了这一市场的需求。美国康宁公司推出了高铝硅玻璃——“金刚”玻璃系列产品,最典型的的应用就是用作iphone等手机的盖板玻璃,2017年全球智能手机出货量达到17亿部,航空航天、高铁、船舶、新能源汽车等都需要高强度的新型玻璃,高铝硅玻璃成了未来高强度玻璃发展趋势。

在普通钠钙硅玻璃中,Al2O3含量一般很低,不会超过2%。随着电子行业的高速发展,铝硅酸盐由于其具有机械强度高、耐磨性好等优点,用的越来越多。铝硅酸盐玻璃根据氧化铝含量的不同,分为中铝和高铝玻璃。但也很难界定出一个确定的组分含量,一般认为Al2O3含量高于6%的玻璃即为高铝玻璃。


图一 高铝硅酸盐玻璃


Al2O3是改善玻璃化学稳定性的必须成分,可以降低玻璃析晶倾向,同时也是提高玻璃硬度和机械强度、提高拉伸弹性模量的成分。在玻璃网络结构中,氧化铝是一种网络中间体氧化物,介于网络生成体和网络外体之间。在氧化铝含量低于2%的玻璃中,氧化铝基本上全部以四配位形式存在。而在中/高铝硅酸盐玻璃中,铝存在两种配位,一种是四配位,这种情况下A13+位于四面体之中形成铝氧四面体[AlO4];一种是六配位,即A13+位于八面体之中形成铝氧八面体[AlO6]。


图二 [AlO4]和[AlO6]结构示意图


铝硅酸盐玻璃以其高透过率、高强度、高硬度的物理特性在建筑、信息、航空等行业,尤其是触控显示行业得到迅猛发展。高铝硅酸盐玻璃,由于氧化铝含量高,化学稳定性好,化学强化后抗压能力强、表面硬度大,目前是高档触摸屏盖板玻璃的首选。


1、抗菌功能应用


高强盖板玻璃作为触控屏保护玻璃,其面板直接与环境和人体皮肤接触,玻璃表面容易残留细菌,特别是在餐厅和医院等对卫生要求较高的场所,减少玻璃面板的细菌非常必要。在玻璃中添加Ag+、Cu2+、Zn2+可以起到抗菌和杀菌的作用,添加方式包括熔加方式和离子注入方式。


图三 高铝玻璃在触摸屏中的应用


2、3D曲屏应用


2014年韩国三星公司推出具有三个维度曲率变化(简称3D)的手机屏幕,推动了3D高铝盖板保护玻璃的曲面化发展。目前3D曲屏主要采用玻璃原片再热加工,其工艺类似于平板玻璃的热弯工艺,因高铝盖板玻璃软化温度较钠钙玻璃高100~200℃,因此3D曲面玻璃成型过程中需要较高的成型温度,必须开发特殊的热弯工艺、更耐用的模具材质和更高精度的成型设备。


图四 高铝硅酸盐玻璃应用于3D曲屏

3、交通工具应用


随着汽车工业向轻量化和智能化方向的发展,汽车厂商希望通过采用更薄的玻璃来减轻车体重量。因为碱铝硅酸盐玻璃具有较大膨胀系数,一般为(7~9)×10-6/℃,具有较好物理钢化前提条件,并且可充分体现其触控屏方面的理化性能优势,机械强度更优。随着我国高铁和大飞机的发展,高铝玻璃将在高铁和大飞机风挡,以及高铁车窗得到广泛应用,高铁车速提升,必将需求更高力学强度的玻璃品种,高铝玻璃将成为首选产品。目前,康宁已将GG产品延伸在福特和宝马等高端汽车的挡风玻璃上,并与圣戈班合作开发更多可应用于汽车的玻璃品种。


图五 高铝玻璃应用于汽车挡风玻璃

4、建筑幕墙应用


目前,幕墙玻璃普遍采用优质钠钙玻璃进行物理钢化提升玻璃力学性能,在建筑投入使用过程中,除了外界撞击导致破损之外,每年还有大量因玻璃自爆导致破损,在一定程度上对大厦周围造成安全隐患。碱铝硅酸盐玻璃具有优良理化性能,尤其抗划伤和超强抗冲击性能,如果采用同样厚度中铝玻璃或高铝玻璃进行物理钢化处理,其机械性能将提升30%~50%,甚至更高,破损几率必将大幅下降,另外,由于中铝玻璃或高铝玻璃软化温度相对钠钙玻璃高100℃以上,当火灾发生时有一定的防火作用。未来中铝玻璃和高铝玻璃必将部分或全面替代幕墙中的曲面造型和平面造型玻璃,延长玻璃幕墙的服役期,减少大厦维修和维护成本,降低幕墙玻璃的安全风险。


图六 高铝玻璃应用于建筑幕墙

5、安全玻璃应用


安全玻璃是一类应用广泛的玻璃品种,具有良好的安全性、抗冲击性和抗穿透性,具有防盗、防爆、防冲击等功能。安全玻璃多以钢化玻璃为基础进行复合加工而成的玻璃制品,其抗冲击强度提升几倍甚至更高,不同于普通玻璃、钢化玻璃、热增强玻璃。碱铝硅酸盐玻璃具有良好理化性能,并且具备物理钢化条件,可以通过浮法工艺生产,厚度规格可设定为2~6mm,进行特定安全玻璃加工与生产,满足防弹玻璃、舰船玻璃、航天飞行器、作战飞机视窗、武器仪表视窗、银行玻璃隔断、私人别墅门窗、旅游观光栈道、缆车等多方面的市场应用。


图七 高铝玻璃应用于安全玻璃



来源:粉体圈

作者 谷雨

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