玻璃與玻璃態

化學強化(chemical strengthening)

化學強化達成的目標與熱回火相同——一層鎖在壓應力中的表面——但靠的是化學,而非熱震。這個點子直接得可愛:把玻璃表面的鈉離子換成較大的鉀離子。把較大的離子硬塞進同樣大小的洞裡,會擠迫表面,而這種擠迫迫使外層進入壓應力,正是讓玻璃難以開裂的那種應力狀態。

實務上,玻璃件被浸泡在熔融鹽中,通常是硝酸鉀 KNO3,溫度約攝氏 400 到 450 度,安穩地低於玻璃轉化溫度,因此形狀絕不變形。經過數小時,鹽浴中的鉀離子擴散進來、鈉離子擴散出去,一換一。由於鉀離子比它取代的鈉大約大 30%(半徑約 1.38 對 1.02 埃),這個交換把表面撐得緊繃,可建立 500 到 1000 MPa 的壓應力,遠高於熱回火所能達到的。代價在深度:離子交換只滲入薄薄一層,常僅數十微米,稱為層深(depth of layer),而熱回火壓縮的區域要厚得多。

這個方法在玻璃太薄、無法熱回火之處勝出——薄件跨截面無法建起足夠的應力。這就是為什麼手機與平板上化學強化的保護玻璃,也就是以「大猩猩玻璃」等名稱販售的鋁矽酸鹽玻璃,是用這種方式製造:薄、韌、抗刮。誠實的限制在於壓應力層很淺,因此一道深刮痕或一個直接刺穿它的撞擊瑕疵,會落到底下的張應力區,強化就此失效——這正是為什麼摔到的手機仍可能因尖銳邊角的撞擊而蛛網般龜裂。

智慧型手機上的保護玻璃是化學強化的鋁矽酸鹽,僅約 0.7 毫米厚。這麼薄的一片無法有效熱回火,於是把它浸入熔融鉀鹽中,用過大的離子填滿其表面。成品能承受被坐到、摔在地毯上,但一記重擊落在角落一粒沙上,仍可能引發一道潛過那層淺壓應力層的裂縫。

離子交換把過大的鉀填入薄玻璃表面,建起高但淺的壓應力,適合用於薄的手機玻璃。

化學強化提供比熱回火更高的表面壓應力,但只在很淺的一層,因此能抗刮、抗彎,卻可能被一記穿透薄壓應力區的尖銳撞擊擊敗。

又稱
ion exchangechemical tempering離子交換化學鋼化