锡增强浮法玻璃力学性能的研究

锡增强浮法玻璃力学性能的研究
周欣李茂刚张宇宏梅金丽
（中建材（宜兴）新能源有限公司宜兴214200）
摘要强度是指材料抵抗破坏或失效的能力，是衡量玻璃结构件的重要指标之一。

通过测试浮法玻璃的抗冲击强度、抗弯强度，结合电子探针和XPS等进行分析发现：当玻璃的厚度相同时，不同表面的浮法玻璃的抗冲击强度、抗弯强度不同，表现为：锡面〉空气面，渗锡可增强浮法玻璃的强度。

关键词浮法玻璃；锡面与空气面；强度
中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：1003-1987（2020）08-0015-04
Study on Mechanical Properties of Tin-reinforced Float Glass
ZHOUXin,LIMaogang,ZHANGYuhong,MEIJinli
(China Building Materials(Yixing)New Energy Resources Co.,Ltd.,Yixing214200,China) Abstract:Strength refers to the ability of material to resist damage or failure,and it is one of the important indexes to measure glass structural parts.In this paper,the impact strength and flexure strength of float glass were tested,and analyzed by means of electron probe and XPS.It was found when the float glass was the same thickness,the impact strength and flexure strength of float glass on different surfaces was different,which are shown as:tin surface〉air surface. Tin infiltration can increase the strength of float glass.
Key Words：float glass,tin and air surface;strength
0引言
平板玻璃具有悠久历史和优良特性，用途广泛，几乎涉及国民经济建设各个部门，其中浮法玻璃又占有很大的比例⑴。

浮法玻璃就是熔融玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度大的锡液表面上，在重力和表面张力的作用下，使得玻璃液抛光成型得到的平板玻璃制品⑵。

为了保证玻璃质量，会在锡槽中通入一定量还原性气体，并保持微正压，在这样的气氛影响下，不可避免地会发生玻璃表面层与锡液之间的离子交换或离子扩散，从而造成锡元素渗入玻璃表面⑶，因此浮法玻璃表面渗锡是浮法玻璃生产过程中不可避免的。

对于浮法玻璃表面渗锡，国内外许多研究学者进行了不同深度的研究，大多得出当玻璃下表面的渗锡量达到一定程度时，玻璃在深加工如热弯、钢化等过程中，会产生虹彩、爆裂等缺陷，造成玻璃表面微裂纹，严重影响玻璃的强度[4]o 但通过浮法玻璃的抗冲击实验发现，浮法玻璃不同面的抗冲击强度表现为：锡面〉空气面，渗锡可提高玻璃的抗冲击强度，这与已知的研究存在
作者简介：周欣（1993-），女，山东临沂人，硕士研究生，主要从事压延玻璃的研究。

指导老师：李茂刚（1961-）,男，教授级高级工程师。

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一定的差异，因此通过实验对其进行更为深入的探讨。

1实验
1.1实验试样
实验试样为我司加工的浮法玻璃，玻璃厚度分
别为1.4mm、1.6mm、2.0mm、2.5mm,浮法玻璃的上下表面分为锡面和空气面。

1.2测试方法
按照GB/T30984.1—2015中玻璃抗冲击性能的测试标准，采用1040g的钢球及符合标准规定的试验支架，以锡面和空气面为冲击面，完成落球冲击测试，冲击点在距离试样中心25mm范围内，观察玻璃破碎情况，以破碎高度表征玻璃的抗冲击强度。

对浮法玻璃不同面的弯曲强度进行测定，对浮法玻璃进行线扫描，得到渗锡量，对锡面的锡元素进行XPS分析，得到锡在玻璃环境中的价态，深入分析锡对浮法玻璃强度的影响。

2结果与分析
2.1玻璃抗冲击强度测试
实验使用TS580锡面识别仪检测出锡面与空气面，采用1040g钢球进行落球冲击实验，每组实验玻璃样品为20片，取其平均值为最终测试结果，表1为浮法玻璃不同面受落球冲击破碎的试验结果，相应折线图如图1所示。

表1浮法玻璃抗冲击强度落球试验结果
玻璃厚度空气面破碎高度锡面破碎高度/mm/mm/mm
1.41571100
1.63331253
2.03911747
2.54461787
1.4 1.6 1.8
2.0 2.2 2.4 2.6
玻璃厚度/mm
图1浮法玻璃抗冲击强度落球试验结果图
从图1可以看出，随着厚度的增加，浮法玻璃表面相同形态抗冲击面的抗冲击强度随之增加；在同一厚度下，浮法玻璃的抗冲击强度表现为：锡面〉空气面，锡面玻璃的抗冲击强度明显比空气面玻璃的抗冲击强度高，因此在后续实验中对此现象进行更为深入的探究。

2.2线扫描分析
对2.0mm厚度的浮法玻璃锡面与空气面采用电子探针检测，不同表面选取四个点进行测试，测量结果取其平均值，如表2所示，然后对玻璃锡面的锡渗入深度进行测试，结果如图2所示。

表2浮法玻璃不同表面的化学组成不同表面
元素的含量
Na Mg Al Si K Ca Sn总量锡面/%8.65 4.94 3.2174.24 1.26 6.42 1.28100.00非锡面/% 6.16 3.85 2.9275.73 1.3310.010100.00 o
o
o
o
o
O
7
6
5
4
3
2
W
O
020*********
渗锡深度/|im
图2浮法玻璃锡面的渗锡深度
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从测试结果可以得出：浮法玻璃空气面测试显示锡的含量为0%,锡面测试显示锡的平均含量为1.285%；从线扫描结果看出：浮法玻璃锡面的渗锡深度大约为30^m o
2.3X射线光电子能谱(XPS)分析
本实验采取2.0mm厚度的浮法玻璃，对不同刻蚀深度的浮法玻璃锡面用X射线荧光光谱测量，根据锡的价态对应的峰值使用PeakFitv4分峰软件为进行分峰，得到的分峰图谱如图3所示，锡在玻璃表面的价态如表3所示。

22000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
20000
结合能/eV
(b)深层
图3不同刻蚀深度下浮法玻璃锡面Sn元素精细分析
表3不同刻蚀深度下浮法玻璃锡面Sn元素的比例刻蚀深度Sn Sn2+Sn4+ 0nm 1.39%98.51%0.1%
490nm26.98%69.69% 3.33%
经XPS测试可以得出：玻璃渗锡面的锡元素存在三种价态，Sn°,Sn2+和Sn4*,其中Sn2+在其化学环境中所占比例最高，S『、Sn2+在浅表面层含量较高，Sn4+在深表面层含量较高，原因主要归结为以下：
锡槽中充满了比还原性气氛，主要是防止锡的氧化，但是仍然会有微量氧气的存在，锡槽中的微量的氧气与锡液中的锡发生化学反应，将锡氧化，反应方程式为：
Sn+[0]^Sn n+(n=2,4)(1)由于浅表层受锡槽中还原性气体比的影响，Fe3+会被还原为Fe2+,浅表层中Fe3+的浓度会变小，所以浅表层中存在大量未被氧化的Sn2+,
这些还原性气氛还可能把四价锡离子还原为二价锡离子，反应方程式为[3]：
Sn4++[H]^Sn2+(2)随着Sn2+扩散深度的增加，Fe3+浓度慢慢回归到正常水平，越来越多Sn2+被氧化成Sn4+,反应方程式为：
Fe3++Sn2+^Fe2++Sn4+(3)玻璃的硅氧骨架与碱土金属离子之间的结合键是离子键，键的结合力比较弱，玻璃强度较低。

在硅酸盐玻璃内，Sn2+呈准四面体结构的配位状态，以共价键的形式与非桥氧结合，Sn2+与玻璃网络结构具有很强的结合[5];Sn4+呈现八面体结构的配位状态⑹，以离子键的形式与非桥氧结合，与玻璃网络的结合也相对较强；同时玻璃表面的二价锡在被氧化成四价锡的过程中，由四面体结构变为八面体结构，两个分子单胞的体积从0.0693nm?膨胀到0.0715nm3,分子体积膨
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胀，使玻璃表面“挤塞”产生应力，从而达到增强玻璃强度的效果。

由此可见，浮法玻璃表面锡可增强玻璃的强度。

2.4抗弯强度
本实验根据GB/T34328—2017轻质物理强化玻璃标准，采用四点弯曲测试半钢化浮法玻璃的抗弯强度，每组取10块试样进行实验，玻璃试样长度为1100mm,宽度为360mm,实验结果如表4所示，相应的折线图如图4所示。

表4浮法玻璃抗弯强度试验结果
玻璃厚度空气面抗弯强度锡面抗弯强度/mm/MPa/MPa
1.4101.13113.33
1.6135.67150.03
2.0128.52180.51
2.5157.50194.20
图4浮法玻璃的抗弯强度
由图4可以看出：随着厚度的增加，浮法玻璃的弯曲强度随之增加；浮法玻璃锡面的四点弯曲强度远大于空气面的弯曲强度，提高了21.68%,其中2.0mm厚度的浮法玻璃锡面增强效果最强，浮法玻璃锡面相比空气面的弯曲强度增加了52MPa,提高了40.47%。

3结论
通过对不同表面和厚度的浮法玻璃的实验比较，得出以下结论：
(1)浮法玻璃空气面锡的含量为0%,浮法玻璃锡面锡的平均含量为1.28%；浮法玻璃锡面的渗锡深度大约为30^m o
(2)相同冲击面下，随着厚度增加，浮法玻璃的抗冲击强度、抗弯强度随之增大；相同厚度下，不同浮法玻璃冲击面，其抗冲击强度、抗弯强度不同，渗锡可提高浮法玻璃的抗冲击强度及抗弯强度。

(3)锡槽中大量的还原性气氛，将四价锡离子还原为二价锡离子，因此二价锡在其化学环境中所占比例最高，这些锡的氧化物存在于玻璃表层，与玻璃的网络结构结合较好，同时二价锡变为四价锡的体积膨胀，使玻璃表面“挤塞”产生应力，都达到增强玻璃强度的效果。

参考文献
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