強化ガラス

強化ガラスは、通常のガラスに比べて強度を高めるために制御された熱処理や化学処理によって加工された安全ガラスの一種です。強化ガラスは、外面を圧縮し、内面を張力状態にします。このような応力により、ガラスが割れた際に、通常の焼きなましガラスのように大きなギザギザの破片に砕けるのではなく、小さな粒状の塊に砕け散ります。これらの小さな粒状の塊は、物体の表面に押し付けられた場合（重力、風、落下などによる）、大きなギザギザの破片に比べて深く貫通する可能性が低くなります。これは、ガラス片の質量と最大寸法の両方が減少すると、ガラス片の運動量と貫通深度の両方が減少するためです。

強化ガラスは、安全性と強度の高さから、乗用車の窓（フロントガラス以外）、シャワーのドア、水槽、建築用ガラスのドアやテーブル、冷蔵庫のトレイ、携帯電話のスクリーンプロテクター、防弾ガラス部品、ダイビングマスク、皿や調理器具など、さまざまな用途に使用されています。

強化ガラスは焼きなましガラスの約4倍の強度があります。^{[1] [2]}製造中に外層がより急速に収縮すると、ガラスの表面に圧縮応力が生じ、ガラス本体の引張応力とバランスが取れます。完全に強化された厚さ6mmのガラスは、最小表面圧縮が69MPa（10,000psi）であるか、エッジ圧縮が67MPa（9,700psi）以上である必要があります。^[3]安全ガラスと見なされるには、表面圧縮応力が100メガパスカル（15,000psi）を超える必要があります。表面応力が増加するため、ガラスが破損したときに鋭いギザギザの破片ではなく、小さな丸い塊に砕けます。

圧縮表面応力により、強化ガラスの強度が増します。焼きなましガラスには内部応力がほとんどなく、通常、表面に微細な亀裂が形成されます。ガラスにかかる張力により亀裂が進行し、亀裂の先端に張力が集中して、非常に高速で亀裂が進行します。^[要出典]その結果、焼きなましガラスは脆くなり、不規則で鋭い破片に砕けます。^[4]強化ガラスの表面の圧縮応力には欠陥が含まれており、その欠陥の進行や拡大を防ぎます。

切断や研磨は必ず強化処理の前に行ってください。強化処理後に切断、研磨、鋭い衝撃を与えるとガラスが割れる原因になります。

焼き戻しによって生じるひずみパターンは、偏光サングラスなどの 光学偏光子を通して観察することができます。

強化ガラスは、強度、耐熱性、安全性が重要な考慮事項である場合に使用されます。たとえば、乗用車には 3 つの要件がすべてあります。屋外に保管されるため、年間を通じて継続的な加熱と冷却に加え、劇的な温度変化にさらされます。さらに、道路上の石などの破片や交通事故による小さな衝撃にも耐える必要があります。大きく鋭いガラスの破片は乗客にさらなる許容できない危険をもたらすため、強化ガラスが使用され、破損した場合でも破片が鈍く、ほとんど無害になります。代わりに、フロントガラスはラミネートガラスで作られており、破損しても粉々に砕けませんが、サイドウィンドウとリアウィンドウは歴史的に強化ガラスで作られてきました。一部の新しい高級車には、乗員保持規制、盗難防止、または防音目的でラミネートサイドウィンドウが装備されています。

強化ガラスのその他の一般的な用途は次のとおりです。

• バルコニードア
• 運動施設
• プール
• ファサード
• シャワードアとバスルームエリア
• 展示エリアと展示物
• コンピュータタワーまたはコンピュータケース（参照：
  • コンピューター愛好家#コンピューターケースと
  • ケースの改造#ウィンドウの改造)。
• 携帯電話のスクリーンプロテクター

強化ガラスは、建物のフレームのない部分（フレームレスガラスドアなど）、構造的に負荷がかかる部分、および人が衝突した場合に危険となるその他の用途にも使用されます。米国の建築基準法では、一部の天窓、出入り口や階段の近くに設置されたガラス、大きな窓、床面近くまで伸びた窓、引き戸、エレベーター、消防署のアクセスパネル、プールの近くに設置されたガラスなど、いくつかの状況で強化ガラスまたはラミネートガラスの使用が義務付けられています。^[5]

強化ガラスは家庭でも使用されています。強化ガラスが使用されている一般的な家庭用家具や電化製品には、フレームレスのシャワードア、ガラス製のテーブルトップ、ガラス製の棚、キャビネットのガラス、暖炉のガラスなどがあります。

「リム強化」とは、ガラスや皿の縁など、限られた領域が強化されていることを意味し、食品サービスで人気があります。強度と耐熱衝撃性のために、完全に強化されたタイプもあります。一部の国では、これに関する要件が指定されています。

強化ガラスは、割れたガラスが武器として使用されるのを防ぐために、特にイギリスとオーストラリアのバーやパブでも使用されることが増えています。^{[6] [7]}

強化ガラスには、調理やベーキングに使われる種類があります。メーカーやブランドには、Glasslock、Pyrex、Corelle、Arc International などがあります。このタイプのガラスは、オーブンのドアにも使われます。

ほとんどのタッチスクリーンモバイルデバイスは、何らかの強化ガラス（コーニングのゴリラガラスなど）を使用していますが、タッチスクリーンデバイス用の別個の強化スクリーンプロテクターもアクセサリとして販売されています。^[8]

強化ガラスは、焼きなましガラスを熱強化プロセスで製造できます。ガラスはローラー テーブルに置かれ、炉に通されて、遷移温度の 564 °C (1,047 °F) をはるかに超える 620 °C (1,148 °F) 程度まで加熱されます。その後、ガラスは強制空気流で急速に冷却されますが、内部は短時間自由に流動します。

代替の化学強化プロセスでは、ガラスを溶融硝酸カリウムの浴槽に浸漬し、ガラス表面のナトリウムイオンをカリウムイオン（30％大きい）とイオン交換することにより、少なくとも0.1mmの厚さのガラスの表面層を圧縮します。化学強化は熱強化と比較して靭性が向上し、複雑な形状のガラス製品にも適用できます。^[9]

強化ガラスは、強化前にサイズに合わせて切断するか、成形するためにプレスする必要があり、強化後は再加工できません。強化プロセスを開始する前に、ガラスのエッジを研磨するか、ガラスに穴を開けます。ガラスにはバランスのとれた応力があるため、どの部分に損傷があっても、最終的にはガラスが親指の爪ほどの大きさに砕け散ってしまいます。ガラスは、引張応力が最も大きいエッジ部分の損傷によって最も破損しやすくなりますが、ガラス板の中央に強い衝撃が加わったり、衝撃が集中したりした場合 (たとえば、ガラスが硬化した点で打たれた場合) にも破損することがあります。

強化ガラスは強い衝撃を受けると窓枠に破片が残らずに完全に砕け散る傾向があるため、状況によっては安全上のリスクが生じる可能性があります。^[10]

強化ガラスの表面は、このプロセスで形成された場合、平坦化ローラーとの接触によって表面波が発生します。この波状性は、薄膜太陽電池の製造において重大な問題です。^[11]フロートガラスプロセスは、さまざまなガラス用途の代替として、非常に平坦で平行な表面を持つ低歪みのシートを提供するために使用できます。^[12]

ガラスの自然破損とは、強化ガラスが何の理由もなく突然破損する現象である。最も一般的な原因は以下の通りである: ^{[13] [14]}

• ガラス内部の欠陥、例えば硫化ニッケルの介在物。硫化ニッケルの欠陥は、強化ガラスが製造されてから何年も経った後に、ガラスが自然に破損する原因となることがあります。 ^{[15]ガラスには} 硫化ニッケルの介在物(「石」) が存在することがあります。これらの介在物の最も一般的な原因は、ガラスの製造および取り扱い工程でステンレス鋼の機械を使用することです。ニッケルを含むステンレス鋼の小さな削りくずは、時間の経過とともに構造が変化して大きくなり、ガラスに内部応力が生じます。これらの応力がガラスの強度を超えると、破損が発生します。このタイプの破損は、強化ガラスでほぼ常に見られ、独特の「8の字」パターンで示され、8の字の各「ループ」の直径は約30 mmです。または、処理中に炉の内壁から溶融ガラスによって耐火レンガの小片が侵食され、完成したガラスに埋め込まれることがあります。これらは「石」としても知られており、ガラスが加熱されると熱異常を引き起こし、ガラスを割ることもあります。
• 取り付け中の小さな損傷、例えばエッジの欠けや欠けは、後に欠陥点から放射状に広がる大きな破損に発展します。ガラスを移動して取り付ける際、ガラス工はさまざまな工具でガラスのエッジに傷や欠けを付けてしまうことがあります。また、ガラス止めを取り付けるために使用される釘やネジなどの留め具が不適切な角度で取り付けられている場合、ガラスのエッジに傷を付けてしまう可能性もあります。これらの小さな傷や欠けは、すぐに破損につながるわけではありません。しかし、時間の経過とともにガラスが膨張したり収縮したりすると、傷の周りに応力が集中し、破損につながる可能性があります。強化ガラスの場合、通常はガラス全体が破損します。
• ガラスがフレームに固着し、温度変化によってガラスが膨張したり収縮したり、風によってたわんだりして、応力が生じます。ガラスは温度変化によって膨張したり収縮したり、風によってたわむため、現代のガラスのほとんどは、底部が弾性ブロック上に設置され、側面と上部に膨張のためのスペースが設けられています。ガラスをフレームに固定するガスケットも、風の衝撃からガラスを守るために通常は弾性があります。ユニットの周囲にスペースがない場合、ガラスはフレームに固着し、ガラスに内部応力が生じてガラスの強度を超え、破損につながる可能性があります。
• ガラスの熱応力。熱応力による破損は、厚い熱吸収 (反射) コーティングが施された密閉された断熱ガラスの大きな破片で最もよく見られます。コーティングは通常、「2 番」の表面 (外側の窓の内側の面) に塗布されます。これにより、コーティングが太陽からの放射熱を顕熱に変換するため、外側の窓のガラスが内側の窓よりも熱くなります。外側の窓が加熱により膨張すると、ユニット全体が外側に曲がります。スペーサー バーまたはその他のエッジ条件によって 2 つのガラスが極めて堅固に接続されている場合、曲げ応力が発生してガラスの強度を超え、破損の原因となります。これが、ボストンのジョン ハンコック タワーで大規模なガラス破損が発生した原因です。
• 風荷重に耐えるにはガラスの厚さが不十分です。ガラスが大きすぎたり薄すぎたりして、現場での風荷重に対して適切に設計されていない場合、風によって破損する可能性があります。風に関するベルヌーイの原理を参照してください。

ガラスが頭上または公共エリア（高層ビルなど）に設置されている場合、破損の問題はより深刻な結果をもたらします。強化ガラスに安全窓フィルムを貼って、ガラスの落下を防ぐことができます。昔ながらの予防策は、天窓の下に金属製のスクリーンを取り付けることでした。

フランス、パリのフランソワ・バルテルミー・アルフレッド・ロワイエ・ド・ラ・バスティー（1830-1901）は、1874年にほぼ溶けたガラスを油またはグリースの熱浴で急冷するガラス強化法^{[16]を初めて開発したとされ、この方法は1874年8月12日にイギリスで特許を取得し、特許番号は2783となった。強化ガラスは、ド・ラ・バスティーにちなんで}バスティーガラスと呼ばれることもある。1877年、ドイツのフリードリヒ・シーメンスは、冷たい型でガラスを圧縮することでバスティー法よりも強度の高い強化ガラスを製造する、圧縮ガラスまたはシーメンスガラスと呼ばれることもある別の方法を開発しました^[17] 。強化ガラス製造の全プロセスに関する最初の特許は、1900年にオーストリアで生まれ、1935年に米国に移住した化学者ルドルフ・A・サイデンが取得しました^[18]。

当時は根本的なメカニズムは知られていなかったが、ガラスを「強化」する効果は何世紀にもわたって知られていた。1660 年頃、ラインのルパート王子が、現在「ルパート王子の滴」として知られるものの発見をチャールズ 2世にもたらした。これは涙滴型のガラス片で、溶けたガラスの滴を水の入ったバケツに落とし、急速に冷却することで生成される。球状の端をハンマーで叩いても割れないが、尾端が少しでも損傷すると滴は爆発的に粉々に砕けてしまう。

• 熱ストレス
• ホウケイ酸ガラス
• ファイアグラス
• スーパーグラス
• 低鉄ガラス
• ステンドグラス
• 鉛ガラス
• プレスガラス
• スーパーフェスト（CV-Glas や Ceverit としても知られる化学的に強化されたガラス）