复合压缩应力化学强化玻璃应力分布的测量方法

Voa.47 No.4Aug.2019复合压缩应力化学强化玻璃应力

分布的测量方法*

胡伟，张云飞，谈宝权，陈芳华(深圳市东丽华科技有限公司，广东 深圳518100)摘要:衡量化学强化玻璃性能的主要指标有玻璃表面压缩应力(CS, Compress Stress %和压缩应力 层深度(DOL,Depth of Compressive Stress Layer)，准确测量CS和DOL对于化学强化玻璃相关行 业意义重大。光波导法是玻璃行业测量CS和DOL普遍采用的方法，散射光光弹性法是较新的 测量技术还未普及。本文从这两种方法的原理进行介绍，并对比两种方法的优劣，最终结合两种

方法对复合压缩应力化学强化玻璃的CS和DOL进行测量。结果表明：光波导结合散射光光弹

性法可以准确地测量CS'DOL以及整体应力分布，特别是双离子交换锂钠铝硅酸盐玻璃(LNAS， Lithium Nateum Aluminum Silicon)的复合压缩应力分布，弥补了单一光波导法在测量距离玻璃表

面较深范围处应力分布不精确和单一散射光光弹性法在测量距离玻璃表面较浅范围处应力分布

不精确的缺陷，为玻璃行业测量完整的复合压缩应力分布方法提供借鉴。关键词：化学强化；多次离子交换；复合压缩应力；光波导法；散射光光弹性法；表面压缩应力；压 缩度中图分类号:TQ171.1 + 2

文献标志码：A 文章编号：1000-2871 (2019) 04-0005-07DOI：10.13588/j玻nki 玻玻1000-2871玻019玻4玻02Stress Profile Measuring Method of Composite Compressive Stress Chemical Strengthenen GlassHU Wei, ZHANG Yunfei, TAN Baoquan, CHEN Fanghua

(Shenzhen Donglihua Techno—oy Co., Ltd., Shenzhen 518008, Chnia)Abstraci: The main indicatorr te meesuro tee performanco of chemicoi strengthened glass are surfaco

compress stress ( CS) and depth of compress stress layeo ( DOL) , accurate meesurement of CS and

DOL is great significont for chemicoi strengthened glass related industries. Opticoi waveeuide method is widely used i meesuring CS and DOL in gits rows, scattered light photo-elastic method is a relative-

1z new method which has not been popularized. In this papea, the principie and testing methods of the two methods are introduced, and the advantages and disadvantaaes of the two methods are compared. Fin+—, the CS and DOL of composite compossie stress strengthened glass are meesured by combi­

n cng th9two m9thods. Th9esu ats show that: optcoaawae9gucd9oombcn9d wcth soate9d acghtphoto- elastic con accu—wiy mesure CS, DOL and Wc stress proVie, especiaHy the composite compressive收稿日期:2019-05-06

・6・玻璃与搪瓷2019年8月stress profile of double ion exchanged lithium natrium aluminum siliccn glass （ LNAS） , it makes up for

the inaccuracy of the single optical waveeuiOe O meesuring the stress distriOution in the deeper inneo

aree from the glass surfacc and the inaccuracy of the single scattered light photo-elastic in measuring the stress distribution in the shdower inner aree from the glass surfacc, proviOes a referencc for mee-

suring the full composite compressive stress profile in glass industre.Key words: chemical strengthening % multipk ion exchange % ccmposite compressive stress; waeguide; scattered light photo-elastic; compessi? stress; depth of compressive stress layee

玻璃在日常生活的众多领域都有应用，但未经过强化的玻璃本身脆性大，且由于微裂纹的存在,使其实 际强度比理论强度降低了 2~3个数量级［1］。为了提高玻璃的强度，需对玻璃进行强化处理,强化处理又分

物理钢化和化学强化，化学强化对比物理钢化能够产生数倍的强度。对于厚度小于2 mm的薄玻璃、强度和

平面度要求高的玻璃普遍只能采用化学强化法（2宀。化学强化玻璃的强度来自于离子交换产生的CS和 DOL,传统的单次离子交换强化玻璃虽然能够提供一定的抗冲击强度，但对离子交换过程中产生的内部中心

张应力（CT,Central Tension）控制不好的话，玻璃具有自爆的风险，从而成为“非安全”玻璃。为此，近年来深 圳市东丽华科技有限公司推出了复合压缩应力强化玻璃技术,复合压缩应力能够在保证玻璃自身安全的基

础上提供更大的CS和数倍深度的DOL,以此带来安全而且数倍强度提高的强化玻璃+CS和DOL是衡量化学强化玻璃强度的关键性能指标，但如何准确测量CS和DOL的分布，特别是进行

准确的无损测量,一直以来都是化学强化玻璃行业讨论的热点+目前行业中,包含美国康宁、德国肖特在内

的公司普遍采用日本Orihare制作所制造的光波导法应力仪FSM6000来测量单次离子交换化学强化玻璃的

压缩应力和分布，但是光波导法只适于测量距离玻璃表面深度较浅约10 \"m左右的钾钠离子交换形成的压

缩应力分布，对于压缩应力层通常大于100 \"m的化学强化玻璃,以及多元或多次离子交换法形成的复合压

缩应力分布则无法有效地快速测量。业内还有刚刚出现的散射光光弹性法，该方法在测量距离玻璃表面较 深的应力分布非常准确，但在测量距离玻璃表面较浅约10 \"m这一范围的应力分布不够精确⑷+因此如何 快速准确测量复合压缩应力化学强化玻璃的应力分布又重新成为讨论的热点，是否可结合此两种方法对复

合压缩应力化学强化玻璃的应力分布进行测量，非常值得研究探讨+1化学强化法化学强化法又称离子交换化学强化法,其原理为将玻璃浸入熔融的碱金属盐浴中，盐浴中直径较大碱金

属离子IK或Na+与玻璃中直径较小的碱金属离子Na+或LO发生离子交换，离子交换产生的“夹塞效应”在玻 璃表面形成较大的压缩应力，从而增强了玻璃的强度+根据交换离子种类不同,有单元和多元离子交换之

分;根据玻璃材质的不同化学强化方法也不同，又有单次法和多次法之分，多次法又分为两次离子交换法和 两次离子交换结合离子迁移强化法（简称凯丽法）（5）等;钠铝硅酸盐（NAS, Natrium Aluminum Silicon）玻璃, 如GLKAILLY ® 5玻璃，一般可采用单元离子交换、单次法，也可以采用多次法;LNAS玻璃，如GLKAILLY

® 6玻璃，一般采用多元离子交换、多次法。化学强化的方法不同，强化后玻璃的应力分布也不同，单次法强 化的

力分布一般较浅, 单一压 力分布, 法 化的 力分布一般较 , 复合压应力分布。取同等厚度的GLKAILLY ® 5和GLKAILLY ® 6分别采用单次法和凯丽法强化后的应力分布曲

线如图1所示+GLKAILLY ® 5 的强化工艺 10X（Ion Exchange）为：410 b ,5 h, 100%（质量分数）KNO3 + GLKAILLY ® 6的强化工艺为IOX1：390 b,120 min, 10% （质量分数）KNO3与90% （质量分数）NaNO3混合盐浴;离子迁

移 IM（Ion Layer Moving）工艺为：390 °C ,15 min;IOX2：380 b ,30 min, 100% （质量分数）KNO3 盐浴。虽然两

第47卷第4期玻璃与搪瓷-7 -种强化工艺不同,但排除强化工艺影响，可看出单次法和凯丽法（多次法）强化后的玻璃压缩应力分布有着 显区别：图1 NAS玻璃（GLKAILLY ® 5）与LNAS玻璃（GLKAILLY ® 6）强化后压缩应力分布对比a. 应力曲线分布,凯丽法强化后的应力曲线中的压缩应力分布具有明显的斜率转变,称之为复合压缩

应力分布；b. 压

力层深度,单次法形成的单一压缩应力D0L_0（ CS为0时DOL的数值）明显小于凯丽法复合压缩应力DOL_0。根 的压

力分布的强化 需 的测量方法对其测量，一般采用光波导法测量压缩应力层较浅的 ，采用散射光光弹性法测量压缩应力层较深的玻璃+2光波导法2.1原理化学强化后的玻璃会在玻璃中产生折射率梯度变化的压缩应力层（GRIN）（6），光线通过GRIN层时

会产生特殊的光学效果，且光波作为离散模式或有限数的模式在GRIL层中传播时每个模式都有自己的有

效折射率ner,可由公式（1）表示:=真空中的光速C

（T模式中的传播速度

持续模式中的ns取决于层中的折射率分布n（ = ）（n 折射率,=：

（））+当光波通过具有应力的透明强化玻璃，如光波与应力方向相垂直，则产生双折射现象，即TE光和TM光⑻，通过在TM和TE波范围内观

有效折射率，根

计算出GRIN层

（和 条纹） （和 条纹）法计算出TM和TE波段折射率分布,再通过相应公压 力层、压力 压 力。2.2光波导法优劣分析如2.1原理所述，光 强化后的

, 能

然而在距离

法测量应力最基本的 是光在具有应力的 中发生 程度的折射，化学力 ，折射率

测量出相应的应力。较

[8）,在

层中折射现象明显，易于测微目镜中，应力值较小，折射率也较小，在这些位置发生折射的现象不易于捕捉，因此测量误 较大，因此光 法只适应于测量压 力 较浅的化学强化 +-6 -玻璃与搪瓷2019年8月3散射光光弹性法3.1原理散射光光弹性法是根据Rayleigh散射原理提出的测量

物体内部压 力的一种方法（9], 化学强化的 有应力，当线性偏振光通 有应力的玻璃时,其偏振态会发生改变，部分被发散 围散射光。在散射光的分散位置处,散射光与原始光束的 分布与入射光的偏振特性相 ⑼；散射光总是 此可以通 为（9\"0）:偏振光，其光

散射条纹的分析，

和入射光的偏振特性有关,还和产生散射的材料

的应力条纹的分布 ，

的应力 有关，因上光路上的应力可以用公[示光路两 的不程差$9光弹性常数* $9⑵3.2散射光光弹性法优劣分析图2放大的散射光图像如图2所示,A点为棱镜表面,B点

些 号 C?（

，如 、

下）处有效信号的

，可以 A到B之间存在非常 的高亮度散射光，这号，

在C点信号捕捉

有限，并；另一方面散射光光弹性法 于发射激光线性偏振光精度，由于线性偏振光的光

、

、 等， 较浅位置处应力大小检测的 精确[11],散射光 力层 感度高，可以精确检测到较深位置 力值。4光波导结合散射光光弹性法于2.2和3.2中所述，光

两种方法不足之

法和散射光光弹性法在测量化学强化

，因此非常有必要探讨是否

力方 存在 之处，且合两种方法，使用方法的 对以互相

一化学强化 行压 中发生

力检测。如2.1和3.1所光 程度的折射

法和散射光光弹性法原理，光 法是基于光在具有应力的 应力的

在具有应力的

的测量方法,散射光光弹性法是基于线性偏正光在具有，但两种方法都是基于光中其散射

测量

的测量方法，此两种测量方法的原理

的区间范围对化学强化玻璃的应力分布进行分析其 区间）如何测量。中其光学特性发生，再通过相应的测量方法和计算原理推 化学强化

性是无

的应力分布，因此 的，只需探讨两种方法测量盲区！

先对于各种 6,0.7 mm厚）

4.1散射光光弹性法的准确性和校验的

，设定对应的强化工艺。对同一化学强化玻璃（凯丽法GLKAILLY®，分

用基于传统光学偏光显微镜（Eclipse LV100,尼康）的 统（Abrio,东京第47卷第4期仪器）做

行

玻璃与搪瓷-7 -性应力测量和散射光光弹性法实验装置进行无损应力测量，并对两种方法取得的 行，如图3所+图3散射光光弹性法和破坏性延迟成像法（Abro）测量应力对比图3

4.2

两种方法的应力测量值从100 \"m至350 \"m左右（玻璃物理厚度的中心）吻合程度是非的。常高的，散射光光弹性法在应力分布较深位置处的测量值是

“空 ”的压缩应力分布拟合原理化来测定压

力分布，

如3.1-3.2所，散射光光弹性法主要是利用散射光的光

DOL%30 \"m之后的

测量时，取较 ；D0L位于0~30 \"m范围的 压 力需要光 法进行测定，对于凯丽法形成的复合应力

的压缩应力

，由于ILX2交换 ，且K+、Na+离子交换速率慢，因此光 法能够测能

一般在10 \"m左右;如此，由于D0L位于10-30 \"m这一区间的应力 测得，即为光 法和散射光光弹性法都无法 测量的盲区,这一区

单 用光

线 白状态。能 的测量出其应种如图4所示，分 光 法和散射光光弹性法测量凯丽法强化后的LNAS玻璃GLKAILLY ® 6的力 中较 分的数值如图， 法或散射光光弹性法

力分布曲线，10~30 \"m“空白区间”是

的，因此需要精准拟合来弥补，非常

测量的盲区，该区的压 力分布的可能性可以是无

的 于真实CS分布，这是测量复合压 力分布散射光光弹性法测量压缩应力曲线DOL（ 10-30 m）

白区间示意及整体拟合的应力分布曲线\"-60 -玻璃与搪瓷2019年8月化学强化 于具有压

相等的，

力，根 力学原理

在 力分布图中

内部会产生张应力， 压缩应力积分总量与内张应力积分总量是 图5所 的S1 等于S2 ,S1 的是压 力的积分,S2 内 张应力的积分。基于这个原理，当压 力与张应力积分总量 ，S1与 S2两 的 相等;散射光光弹性法可以精准测量包含内部张应力在内的DOL大于30 \"m的应力曲线，即

可以 S2的 ，也就是S1的 ；S1的 ， DOL为10 \"m光 法 的以及DOL从30 \"m到D0L_0区间散射光光弹性法 的积分 以根 测值

S2之 的比率，使用每个

计算 ，3 之间的差值便是DOL在10-30 \"m“空白区间”应有的积分数值;引入S-rate表示压 力 S1和张应力面积

的拟合曲线应力分布，如图5所示，计算S-Rate值。该S-rate不断上升,“白区间”拟合 线 ，当 合曲线上限为10 \"m S-Rate值为1时，这 着压 力和内部张力保持平衡;如此来计算， 程 是非常高的， “空白区间”的 力分布也是 于真实分布的，结合光

法和散射光光弹性法 测量值， 形 的、平滑的、 的 力分布曲线。4.3光波导结合散射光光弹性法形成的 应力分布和关键指标的两个点为CP( Cross Point)点及TP如图6所，光

是无法

测量

合散射光光弹性法测量系统中非常有 ，而是通

(Turning Point)点。前述在应用光 合散射光光弹性法系统时,DOL在10-30 \"m区间应力曲线分布精

合形成的，因此 提出CP点及TP点

线的交点,TP点为通

力曲线的拐点，是两种

分析。CP合的应力曲线上距离点 光 CP点

法和散射光光弹性法所测应力曲线的

的一个点。TP点

的压

上为复合压 类型离子交换的分界点，在应用中，可通 TP点 力CS_TP和压 力 DOL_TP数值 的离子交换盐浴配比和离子交换工艺条件，优化强化 的性能。图6光波导结合散射光光弹性法DOL(0-100 m)应力测量曲线

放大图及CP、TP和CS_TP、DOL_TP示意\"4.4光波导法结合散射光光弹性法的简化测量方法在

用中，光

合散射光光弹性法测量系统虽然可以较真

测 一 ，光

5 min,而普通高铝硅

化 内部的应力分布情况，是测试效率较低，

3~5s°因此，出于效率

用光 法测量应力分布仅需合散射光光弹性法测量系统更适合用于科学研究和工艺分析，而化特

行批量测试和全检。适用于工厂、企业生产中

着LNAS复合压 力 在大量消费性电子产品上的应用，

玻璃的需求，可以一种、简单、

法。具体做法是：存在 全检复合压 力合散射光光弹性法测量方合实测的方法 上述光

第47卷第4期玻璃与搪瓷-11 -(1) 根据玻璃厚度不同，制作不同离子交换工艺条件下的复合压缩应力玻璃标准典型样品；(2) 使用散射光光弹性法测量各样品的应力值和分布曲线,得出不同厚度LNAS玻璃在特定强化工艺条

件下，内部较深DOL区间的应力分布和内部张应力分布数据库；(3) 建立3段曲线完整拟合软件，在光波导法测量仪器(例如FSM 6000)的实际测量数据基础上，加入

“空白区间”拟合的压缩应力分布，以及步骤(2)中描述的数据库中较深DOL区间的应力分布，形成一条完

整的应力分布。实际测量时，通过(3)中描述的拟合软件，调用光波导法快速准确测量玻璃表面压缩应力分布,调用数

据库中的散射光光弹性法数据，调用根据4.2当中描述的拟合原理得到“空白区间”应力分布，即可立即模拟

得出被测玻璃的完整应力分布曲线，实现快速批量测量的目的。需要特别指出的是,光波导结合散射光光弹性法测量是虚拟结合实测快速测量方法,其缺点也非常明

显,即数据库中调用的散射光光弹性法数据是固定的，而实际离子交换时，随着离子交换盐浴中毒程度和工 艺波动，产生的应力分布也是变动的，两者之间一定存在误差，确切地说,除了玻璃表面CS之外,通过拟合 最终得出的应力分布曲线和各关键指标值都不是最准确的实测结果，这些数据仅能用于工艺和量产管理参

考。根据光波导结合散射光光弹性法测量原理,在硬件上合二为一或共用同一个硬件系统，同时测量表面压

缩应力分布和内部应力分布，并将数据进行自动拟合、矫正，实现一次快速测量并输出结果,既可解决测量效

率的问题，同时又可以保证数据的真实性,将会是最终复合压缩应力分布测量的解决方案+5结论化学强化玻璃行业虽已经历了长时间的发展，但对于测量其关键指标压缩应力CS和应力深度DOL方

面仍然存有不足之处，尤其是LNAS玻璃，由于LNAS玻璃一般采用两次强化法形成复合压缩应力分布，其

应力分布较深，采用单一的光波导法或散射光光弹性法都无法准确测量出其应力分布。结合两者优势，光波 导结合散射光光弹性法可以完美的解决这一问题，成为准确测量复合压缩应力分布的解决方案。参考文献：[1]

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