強化玻璃

Posted on 2009/07/31 in 化學, 化學教育, 化學與社會 with 有 2 則迴響 36,878 views

強化玻璃 (Tempered Glass)
臺北市立第一女子高級中學三年級陳怡蓁/臺北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

玻璃 (glass)
中國古代亦稱琉璃，是一種透明、強度及硬度頗高，不透氣的物料。玻璃在日常環境中呈化學惰性，亦不會與生物起作用，故此用途非常廣泛。玻璃一般不溶於酸（例外：氫氟酸與玻璃反應生成SiF4，而導致玻璃的腐蝕）；但溶於強鹼，例如氫氧化銫。玻璃是一種非晶形過冷液體。融解的玻璃迅速冷卻，各分子因為沒有足夠時間形成晶體而形成玻璃。

普通玻璃主要是以二氧化矽灰石碳酸鈉為原料的非晶形過冷液體（即在室溫下不是結晶，呈高粘度的過冷液體）二氧化矽（SiO₂），亦即石英，或砂的化學成分。純正的矽土溶點為攝氏2000度。因此製造玻璃時一般會加入兩種材料：碳酸鈉（Sodium Carbonate, Na₂CO₃，即蘇打粉）及碳酸鉀（Potash，鉀鹼）。這樣矽土溶點將降至1000度左右。但是因為碳酸鈉會令玻璃溶於水中，因此通常還要加入適量的氧化鈣CaO，使玻璃不溶於水。一般玻璃製品多半添加穩定物質來增強化學耐久性、或添加助熔物質降低熔融溫度。

強化玻璃 (tempered glass)
十七世紀時，英國的魯伯特王子把熔解的玻璃液滴進水內造成玻璃珠。這種淚滴形的玻璃非常堅硬，就算以槌敲打也不會破碎。但是只要把玻璃滴尾部弄破，它便會突然爆碎成粉末。這種玩意還被帶到朝庭上，用來戲弄人，稱為「魯伯特水滴」（Rupert’s drop）。

強化玻璃的製作

1. 化學強化

a. 原理：將玻璃浸入熔鹽池中進行離子交換，玻璃內的鑀分子與鹽內分子交換，大量的鹽離子壓迫玻璃表面增加它的抗力，因為內層離子未交換，只有玻璃表面離子參與交換，所以玻璃經過化學強化後可以做切割、鑽孔、鍍膜等後加工。
b. 特性：耐衝擊及壓力超過普通玻璃5倍以上。適合厚度2 mm以下的玻璃。

2. 物理強化

a. 原理：以單層普通玻璃加熱，到軟化溫度後，急速冷卻，此時熾熱的玻璃表面便會因急速冷卻而收縮，形成「壓縮應力」，而內部則因保持餘熱而呈現「拉應力」，於是玻璃便在此表面應力分佈的改變而提升了強度。玻璃表面的縮力跟它的中心層互相牽引平衡，會給予充分的張力，當外力超過它內部封閉的張力，這種張力就會失去平衡而粉碎，成為無數的細粒狀。
b. 特性：耐壓力及衝力是普通玻璃的3-5倍。玻璃破碎時，顆粒成鈍角，比較不會傷害人體。耐溫差變化可達攝氏250度。強化後無法再做鑽孔或切割，玻璃表面的平整度會較強化前略差，但是還可合乎鍍膜製程。適合厚度在2 mm以上的玻璃。

強化玻璃的破裂

1. 原因：

強化玻璃表面是一層壓縮應力層，內部則有引張應力層與之對應而保持平衡狀態。當表面的傷延伸到內部引張應力層時，就會造成破裂。這種傷痕可分為幾種：
（1）硬物碰傷、熔接時的火花、飛來物體等引起的傷痕。
（2）搬運及儲存時玻璃撞傷。
（3）嵌裝時玻璃的損傷。
（4）熱應力及系統應力的破壞。
（5）外力撞擊。
（6）在玻璃中偶然存在的雜質所引起的傷痕。
（7）不明原因。