Loading article…
化学強化ガラスは、製造後の化学処理によって強度が増したタイプのガラスです。破損すると、フロートガラスと同様に、細長い尖った破片に砕け散ります。このため、化学強化ガラスは安全ガラスとはみなされず、安全ガラスが必要な場合はラミネート加工する必要があります。ただし、化学強化ガラスの強度は通常、フロートガラスの 6 ～ 8 倍です。この種のガラスの最も一般的な商標は、ゴリラガラスです。
歴史
ガラスは人類が作った最も古い素材の一つで、その歴史はチグリス川とユーフラテス川の間のメソポタミアで働いていた職人が砂、ソーダ、石灰を混ぜてガラスを作る技術を発見した約4,000年前にまで遡ります。[1]人類は時代を超えて、ガラスの初期のイオン交換を研究し、銀や銅の粉でガラス工芸品を装飾したり着色したりしてきました。[2]
イオン交換法を工業分野に応用できる可能性が確立したのは、20世紀初頭になってからである。 [3] 1913年、ギュンター・シュルツェは、硝酸銀塩（AgNO 3）をイオン源として用いて、ガラスへの銀イオンの拡散を初めて研究し、この現象の化学的・物理的性質と、処理されたガラスの物理的特性への影響を理解することを目的とした一連の研究を開始した。特に、数年後の1918年にショットガラス研究所で、イオン交換により、拡散プロセスに関与するガラス層の屈折率が上昇することが実証された。 [4]
1950年代にパイロセラムが開発された後、コーニング社はガラスの硬度を向上させるためにプロジェクト・マッスルと呼ばれる研究開発プログラムを開始しました。 [5]その頃には、イオン交換技術は十分に理解された工業プロセスとなっていました。S・ドナルド・ストゥーキーは1960年6月までにこれを強化のために利用する研究を開始し、[6] 1961年9月にフィレンツェで開催されたシンポジウムでこの話題が議論されましたが、[7] 1962年に圧縮強度を3倍に向上させたのはスティーブン・キスラー[8]と、それとは独立してサンゴバン社のポール・アンリ・アクロクとジャン・ポール・トションでした。 [6]純粋なガラスマトリックス内のより小さなナトリウムイオン（Na +）をより大きなカリウムイオン（K +）に置き換えると、試料表面にマイクロ/ナノクラックが形成されるのを防ぐか修復することができ、機械的強度が向上しました。[8]コーニングの研究者たちはすぐに、アルミニウムとジルコニウムの酸化物を添加すると品質がさらに向上することを発見しました。[9] [6]それ以来、この分野では研究レベルと産業レベルの両方で多くの努力が行われてきました。
プロセス原理
ガラスは表面仕上げ工程によって化学的に強化されます。ガラスは334℃（630℉）以上の温度の溶融カリウム 塩（通常は硝酸カリウム）の浴槽に浸されます。 [10]これにより、ガラス表面のナトリウムイオンが浴槽のカリウムイオンに置き換えられます。
これらのカリウムイオンはナトリウムイオンよりも大きいため、溶融硝酸カリウムに移動すると、より小さなナトリウムイオンが残した隙間に押し込まれます。このイオンの置換により、ガラスの表面は圧縮状態になり、コアは補償張力状態になります。化学的に強化されたガラスの表面圧縮は、最大 690 メガパスカル (100,000 psi) に達することがあります。
強化のメカニズムは、ガラスの圧縮強度が引張強度よりも大幅に高いという事実に依存します。ガラスの両面がすでに圧縮されているため、片方の面が張力を受ける前にある程度の曲げが必要です。引張強度に達するには、さらに曲げる必要があります。もう一方の面は、ますます圧縮応力を受けます。しかし、圧縮強度が非常に大きいため、圧縮による破損は発生しません。
化学強化ガラスの表面は圧縮されているため、未処理のガラスに比べて傷がつきにくくなっています。携帯電話の画面が通常このように作られているのはそのためです。携帯電話は鍵などのアイテムと一緒にポケットや財布に入れて持ち運ぶことが多いため、傷がつきにくいことは重要です。
化学的に強化されたガラスを製造するための、より高度な 2 段階プロセスもあります。このプロセスでは、まずガラス製品を450 °C (842 °F) の硝酸ナトリウム浴に浸し、表面にナトリウムイオンを豊富に含ませます。これによりガラス上にナトリウムイオンが多く残り、硝酸カリウムに浸してカリウムイオンと置き換えます。このように、硝酸ナトリウム浴を使用すると、完成品の表面圧縮の可能性が高まります。
化学強化により、強化ガラスと同様の強度が得られます。ただし、このプロセスでは極端な温度変化は使用されない為、化学強化ガラスには湾曲や歪み、光学的歪み、歪みパターンがほとんどまたは全くありません。これは、細いガラス片が大幅に湾曲する可能性がある強化ガラスとは異なります。
また、強化ガラスとは異なり、化学強化ガラスは強化後に切断できますが、切断部から約 20 mm 以内で追加された強度が失われます。同様に、化学強化ガラスの表面に深い傷が付くと、その部分の追加の強度が失われます。
化学強化ガラスのもう一つの欠点は、コストがかさむことです。強化ガラスは製造工程で安価に作ることができますが、化学強化ガラスは市場に出るまでの道のりがより高価です。これらのコストにより、この製品は多くの用途で使用できなくなります。[11]
一部の戦闘機の機体キャノピーには化学強化ガラスが使用されていました。
参照
参考文献
- ^ 「ガラス製造の起源 | コーニングガラス博物館」。
- ^ Mazzoldi, P.; Sada, C. (2008). 「イオン交換プロセスの歴史と進化の旅」Mat. Sci. Eng. B . 149 (2): 112–117. doi :10.1016/j.mseb.2007.11.038.
- ^ Berneschi, Simone; Righini, Giancarlo C.; Pelli, Stefano (2021). 「ガラスの新世界に向けて：現代技術におけるイオン交換の役割」.応用科学. 11 (10): 4610. doi : 10.3390/app11104610 . ISSN 2076-3417.
- ^ シュルツェ、ギュンター (1913)。 「グラスの拡散版シルバー」。アンナレン・デア・フィジーク。345 (2): 335–367。ビブコード:1913AnP...345..335S。土井：10.1002/andp.19133450208。ISSN 0003-3804。
- ^ スタークマン、ディーン、ハミルトン、マーサ・M、チッタム、ライアン、サーモン、フェリックス（2013-06-18）。ベストビジネスライティング2013。コロンビア大学出版局。ISBN 978-0-231-53517-5。
- ^ abc Madsen, Lynnette D.; Svedberg, Erik B. (2016-01-14). 製造業のための材料研究：材料を新製品に変える産業的視点。Springer。p. 8。ISBN 978-3-319-23419-9。
- ^ アイテル、ヴィルヘルム (1976).ケイ酸塩の科学、Vol. VII : ガラス科学。エルゼビア。 p. 365.ISBN 978-0-323-14428-5。
- ^ ab Kistler, SS (1962年2月). 「一価イオンの不均一交換によって生じるガラスの応力」.アメリカセラミックス協会誌. 45 (2): 59–68. doi :10.1111/j.1151-2916.1962.tb11081.x. ISSN 0002-7820.
- ^ Nordberg, Martin E.; Mochel, Ellen L.; Garfinkel, Harmon M.; Olcott, Joseph S. (1964 年 5 月). 「イオン交換による強化」. Journal of the American Ceramic Society . 47 (5): 215–219. doi :10.1111/j.1151-2916.1964.tb14399.x. ISSN 0002-7820.
- ^ PubChem. 「硝酸カリウム」. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . 2024年4月23日閲覧。
- ^ Munden, Jacob (2018年6月23日). 「化学強化とは何か?」Barrett Limited .