光伏玻璃的离子交换增强工艺及机理

本科生毕业设计（论文）

开题报告

题目：光伏玻璃的离子交换增强工艺及机理

姓名：XXX

学号：200802020317

指导教师：XXX

班级：材料083

所在院系：材料科学与工程学院

1、课题的意义及国内外发展状况

从上世纪60年代，kistler以硅酸盐玻璃为原料首先进行了K+-Na+离子交换增强，提出离子交换的原理是在一定温度条件下，把含有小半径碱金属离子的玻璃沉浸在含有大半径碱金属离子的熔盐中时，在化学位和浓度梯度的推动下，玻璃中的小半径碱金属离子将与熔盐中的大半径碱金属离子互相交换，产生互扩散过程。互扩散过程是化学扩散形式的一种，也叫离子交换。由于大离子占据了玻璃亚表面层中小离子的位置，体积膨胀的趋势产生“挤塞”现象，在玻璃表面产生预压应力。在70年代一般认为离子交换过程中伴随着:(l)因为离子半径不同在玻璃表面引起的应力;(2)与半径差相应的玻璃结构网络膨胀产生的应力松弛。许多学者研究了玻璃中离子交换扩散的动力学，认为离子交换是玻璃成分、熔盐成分，交换时间和交换温度的函数。

在国外，该方面的研究很深入。例如，A.J.Burggraaf等提出玻璃中离子交换发生在两个阶段，首先是较快的碱离子的互扩散；然后是应力松弛。

在国内，也有相关的专利和文章，但不是很多。贺芸秋、杨俊超等进行了多相离子交换增强钠钙硅玻璃的研究，总结出不同钾盐系统离子交换的玻璃强度的变化，不仅取决于钾盐系统的液相含量、钾盐与玻璃的离子交换程度，更与钾盐和玻璃表面的化学反应及其引起的玻璃表面结构变化相关。翟守元、孟桂珍研究了离子交换时间、温度对玻璃强度的影响，得到：在其他条件相同的情况下，提高处理温度离子交换玻璃的强度将随之增大，这一规律只适用于玻璃应变点以下；延长处理时间，离子交换玻璃的强度也会随之增大，但是，由于增大率是逐渐衰减的，所以没有必要无限延长处理时间。

本课题主要针对太阳能光伏玻璃的离子交换来增强该玻璃的抗冲击强度，以延长太阳能的使用寿命。并且从该课题的研究中进一步熟悉各种仪器的使用方法，在实验中将我们所学过的理论转化为实践，以及正交试验在实际实验中的操作等等，为以后从事科学研究开辟新的思路。

2、课题研究内容

2.1实验用原料（如下表所示）

表1 实验所用药品

2.2实验用设备

玻璃刀快速研磨机镍铬合金丝不锈钢杯子天平

研钵电阻式马弗炉721分光光度计游标卡尺抗折强度测试仪原子力显微镜扫描电子显微镜

2.3实验工艺

图1 实验工艺流程图

本实验在制备玻璃试样的阶段，要求所有玻璃有相当的几何尺寸（在平面方向上要求10mm×35mm），在快速研磨机上研磨玻璃时注意不能对玻璃式样倒角，并且避免玻璃试样表面划伤；在试样保温阶段，要求熔盐随马弗炉一起升温，当到达设定温度后，将熔盐保温一段时间再放入玻璃试样，并开始计时，计时严格按照正交试验所设计的时间进行；在测离子交换后的试样透光率时，要求试样先经过自来水清洗，再经过无水乙醇清洗，再测其透光率；做试样的SEM及原子力显微镜时注意将交换后的玻璃试样表面用无水乙醇清洗干净，避免人为造成玻璃表面的伤痕，影响后续的分析等等。

2.3测试分析

用721分光光度计测量试样的透光率；用抗折强度测试仪测试光伏玻璃离子交换前后的抗折强度的数值；后的用扫描电镜做该光伏玻璃的SEM微观形貌分析；用原子力显微镜做试样的微观表面形貌分析。

3、本课题的研究方法

通过查阅相关文献资料，查找前人做过的有关光伏玻璃的制备和离子交换增强工艺及性能测试方面的研究，参考他们的研究方法及测试方法，综合对比各自的优缺点，设计新的光伏玻璃的离子交换正交试验及熔盐配方，从而研究光伏玻璃例子交换的机理及离子交换的最佳熔盐配方等。

4、实验方案初步设计

（1）查阅资料，根据前人的研究设计多组用于光伏玻璃离子交换增强的熔盐配方；

（2）根据设计配方合理准确的称取配方中的各种药品配制熔盐；

（3）将光伏玻璃制成适合抗折强度支架的尺寸，并将该试样分别放入上述熔盐中保持正交实验设计的温度及时间，得到离子交换后的样品；

（4）将交换后的样品分别在分光光度计下做透光率的测试，再做抗折强度测试以及SEM和原子力显微镜的微观测试。

（5）将上一步骤的到的各种数据加以处理并对做SEM和原子力显微镜得到的照片加以分析，从而的到最佳熔盐配方及微观形貌，进而分析得到

光伏玻璃离子增强机理。

5、预期成果：

通过研究离子交换对光伏玻璃各种性能的影响，综合实际情况和使用要求，设计一种增强光伏玻璃强度的最佳熔盐配方，得到离子交换增强玻璃强度的工艺，计算增强前后的抗折强度数值，并分析离子交换后的微观形貌，从而得到离

子交换法增强光伏玻璃的机理。

6、任务完成的阶段安排及时间安排：

参考文献

[1] 张峙琪，李伟捷，杨修春. 超薄玻璃化学钢化的研究进展.玻璃与搪瓷.2009

年8月；第37卷第4期.

[2] 翟守元，孟桂珍. 化学钢化时的温度、时间对玻璃强度的影响. 山东轻工业

学院学报. 1996年6月第10卷第2期.

[3] 赵国华，马婧，田纯祥. 影响化学钢化玻璃强度的因素.《玻璃》.2009年

第4期.

[4] 王海风，王依民，郭明星，韩文爵.离子交换增强太阳能电池盖片玻璃的研

究.材料导报.2007年6月第21卷第6期.

本科生毕业设计（论文）开题报告考核一、指导教师对开题报告的评语：

指导教师200 年月日

成绩

二、开题报告答辩评语及成绩:

答辩小组负责人200 年月日