Катионит

для химической закалки стекла

При химической закалке стекло погружают в ванну, содержащую калиевую селитру - нитрат калия (KNO₃). Применяются более низкие температуры (300-400°С). Ионы калия К⁺ из расплава заменяют ионы натрия Na⁺ в поверхностном слое стекла. Поскольку ионы калия К⁺ крупнее, чем ионы натрия, они вызывают деформацию кристаллической решетки, при этом в поверхностном слое появляются силы сжатия. Происходит увеличение прочности, как и при термической закалке. Но при химическом упрочнении стекла не применяют резкие перепады температур, поэтому не происходит деформация и коробление, не появляются оптические дефекты.

Химически закаленное стекло значительно прочнее, чем обычное стекло. Приращение прочности больше, чем при термической закалке, а небольшие растягивающие напряжения в центральной зоне минимизируют его разрушение при хранении, царапании, резании, сверлении. Ионообменное упрочнение пригодно для тонких стёкол и стекол переменной толщины, изделий сложной конфигурации, в том числе полых, крупных и мелких стекольных изделий.

Ранее процесс закалки стекла методом ионного обмена применялся для повышения механической прочности стеклопосуды, стеклотары и оконного стекла. В настоящее время химическая закалка стекла используется для повышения механической прочности тонкостенных деталей, например, защитных стекол мобильных телефонов и планшетов. Химически закаленное стекло не дает оптического искажения и хорошо подходит для лобовых стекол автомобилей и самолетов.

В книге «Прочность стекла. Ионообменное упрочнение» профессор, доктор технических наук Бутаев А.М. рассматривает, в частности, упрочнение стекол транспортных средств. В периодической и патентной литературе сообщается об использовании ионообменной технологии для упрочнения: защитных, диоптрийных, фотохромных, солнцезащитных очковых стекол и линз; цветных светофильтров и сигнальных стекол; cтеклотары и стеклопосуды; строительных и архитектурных стекол; остекления наземных, воздушных, морских и космических транспортных средств; пуленепробиваемых стекол; лабораторных пипеток; лазерного стекла; вакуумных сосудов Дьюара; стеклянных труб; покровного часового стекла; солнечных коллекторов; линз перископов, оптических приборов и систем наведения противотанковых снарядов; окон (фотолюков) для аэрофотосъемки; стекол для жидких кристаллов; подложек для магнитных и оптических запоминающих устройств; стекол, разбиваемых по команде (капсул нефтяных скважин, обтекателей ракет, фонаря самолета, оболочек кумулятивных зарядов, крышек предохранителей, пробирок).

Кроме того, ионообменная технология может быть использована для: упрочнения ситаллов и других стеклокристаллических материалов; флокуляции геля при производстве керамической бумаги, плит, пленок, покрытий; экранов дисплеев; изготовления фотомасок, резисторов, фотошаблонов; повышения химической устойчивости стекол специальных составов; получения поверхностной проводящей пленки; формирования параболических поверхностей; маркировки стеклоизделий; придания стеклу фотохромного эффекта; изготовления акустических линз; получения планарных и плоских волноводов (линз, сфер, граданов, селфоков); изучения строения стекла; получения ионоселективных электродов. [1]

Ионный обмен в стекле используется для изготовления оптических элементов микрооптики, градиентной, интегральной и волоконной оптики. Замена катионов стекла на катионы из расплава соли приводит к модификации структуры стекла, а также его химических, механических, термических, диэлектрических, эмиссионных, оптических и спектрально-люминесцентных характеристик. Ионообменная обработка приводит к существенному увеличению механической прочности стекла, его поверхностной микротвердости, абразивостойкости, термостойкости и оптической прочности. Процесс ионообменного упрочнения используется для повышения механической прочности сверхтонких стекол смартфонов и планшетов, а также для создания рулонных и гибких дисплеев.

В 1972 году был получен первый планарный оптический волновод на основе ионного обмена ионов Na⁺ на ионы Tl⁺. Началось интенсивное использование технологии ионного обмена для формирования оптических волноводов (поверхностных, заглубленных, канальных), а также дифракционных элементов, микролинз, разветвителей светового сигнала, граданов, фотоуправляемых планарных волноводных структур, селекторов волноводных мод, планарных волноводных усилителей. В основном при изготовлении таких структур используется ионный обмен ионов Na⁺ на ионы Ag⁺. Расплавы солей серебра нетоксичны и обеспечивают достаточно большое изменение показателя преломления и низкие оптические потери. Также широкое распространение в интегральной оптике получил обмен ионов Na⁺ на ионы K⁺. В этой технологии сжимающие напряжения приводят за счет эффекта фотоупругости к увеличению показателя преломления и формированию градиентных оптических волноводов.

Ионообменная технология позволяет получать планарные и волоконные люминесцентные волноводы. Люминесцентные волноводы могут быть использованы для создания люминесцентных датчиков температуры, а также для конвертеров УФ излучения в видимый диапазон с целью повышения эффективности солнечных батарей. Ионным обменом с применением технологий восстановления формируют металлические наночастицы для получения плазмонных волноводов. [2]

Возможности применения ионообменной технологии для модификации свойств силикатных стекол определяются двумя фундаментальными свойствами: способностью обменивать свой щелочной ион (а при определенных условиях и щелочноземельный) на ион из внешнего источника и доминирующим влиянием состава, структуры и состояния поверхности на физико-хи­ми­ческие параметры, что дает неограниченные возможности материаловедам. [1]