Vidro quimicamente fortalecido: propriedades, processos e aplicações

Vidro quimicamente fortalecido (Chemically Strengthened Glass) Como a troca de íons cria o vidro fino mais resistente disponível

O vidro quimicamente reforçado - é um produto de vidro pós-processo onde uma troca iônica controlada substitui os íons de sódio menores por íons de potássio maiores para induzir uma tensão superficial compressiva, tornando a fina folha de vidro muito mais resistente ao impacto do que uma contraparte convencionalmente temperada ou recozida Este artigo descreve a química por trás do fortalecimento químico, compara produtos químicos e têmpera térmica com dados de especificação, consolida os números de desempenho para vários substratos e mostra onde cada método pode ser encontrado para aplicações eletrônicas de consumo, industriais, médicas, automotivas e de defesa Para produtos que exigem vidro de cobertura, seja para uma proposta de especificação ou para decidir entre fornecedores, a estrutura de decisão na Seção 6 serve para combinar substrato, espessura e método com a necessidade de aplicação.

O que é vidro quimicamente reforçado?

Vidro quimicamente reforçado é um tipo de vidro que ganha sua durabilidade através de um processo químico de pós-produção também conhecido como têmpera química, endurecimento químico e tenacidade química - conjuntamente abreviado como ‘fortalecimento químico’ - utiliza um processo de troca iônica Pequenos íons de sódio (Na), que ficam entre a estrutura silício-oxigênio de uma folha de vidro intocada, são trocados por grandes íons de potássio (K), de um banho de sal fundido criolita Com esses íons sentados em um lugar muito maior, eles expandem a estrutura de vidro com uma tensão compressiva.

A resistência à tração teórica do vidro intocado pode ser considerada como sendo de aproximadamente 35 GPa, excedendo em muito a grande maioria dos aços estruturais Na realidade, no entanto, falhas microscópicas de superfície introduzidas durante a fabricação, manuseio e exposição atmosférica reduzem a resistência real à fratura do vidro recozido para cerca de 7-100 MPa O fortalecimento químico mitiga diretamente esse déficit A compressão superficial criada pelo processo de troca iônica efetivamente ‘falha de fechamento de grampos’ na superfície do vidro, precisando de significativamente mais força antes que uma rachadura possa se espalhar através da zona comprimida para a região de tensão interior.

Este fator torna-se crítico abaixo de aproximadamente 3 mm de espessura Este é o ponto em que um processo de têmpera térmica luta para induzir um gradiente de temperatura suficiente no vidro durante a têmpera para gerar uma compressão superficial suficiente O fortalecimento químico não tem tal limitação - ele funciona de forma confiável com substratos tão finos quanto 0,33 mm de diâmetro vidro aluminossilicato e até 1,0 mm de diâmetro vidro soda-cal. É por esta razão que, com exceção de certos nichos de aplicação de nicho, cada tela de smartphone, face de smartwatch e display industrial de perfil fino depende de reforço químico em vez de térmico.

Muita pesquisa foi realizada sobre a troca de íons alcalinos na década de 1960 e, portanto, a técnica em si está bem comprovada; várias garrafas de refrigerante centenárias eram conhecidas por terem passado por troca de íons alcalinos durante sua vida! essas primeiras tentativas encontraram uma maneira de sintetizar os resultados da pesquisa de muitos artigos de pesquisa em uma estrutura.

Como é chamado o processo de fortalecimento do vidro?

O processo é formalmente chamado de troca iônica ou têmpera química A solução de troca iônica mais comumente anunciada envolve a imersão do vidro em um banho de sal de nitrato de potássio (KNO) a 380-420 C. Neste procedimento, o banho de sal é mantido à temperatura e o vidro é imerso por um tempo de imersão pré-determinado, durante o qual os íons de potássio no sal se difundem através da superfície do vidro, deslocando íons de sódio menores Como o íon de potássio maior tem um raio iônico de 1,38 V (contra 1,02 V para sódio, essa troca de contra-íons cria um estado de tensão compressiva na camada trocada do vidro É terminologia comum da indústria referir-se a essa técnica como fortalecimento “químico, têmpera ”química“ ou fortalecimento de troca de ”ion,“ e ASTM C1422 Especificação Padrão para Vidro Quimicamente Fortalecido refere-se oficialmente a ela como ”quimicamente fortalecido“.”

Como funciona o processo de troca iônica

A operação padrão de reforço químico envolve uma metodologia de produção muito precisa em quatro etapas que tem certos efeitos nas características de impacto, flexão e ciclagem térmica do produto acabado.

Passo 1 1 pré-tratamento usinagem Todos os CNC corte, perfuração, moagem de borda, e moldagem de superfície dos painéis devem ter lugar painéis são colocados na solução de reforço químico Uma vez que o vidro é colocado no banho de sal para produzir o efeito de reforço, qualquer dano feito à superfície por operações de usinagem subsequentes não será viável para reproduzir e criaria pontos de tensão descontrolados no painel Para substratos de aluminossilicato a ser usado como vidro de cobertura, um plano de operação de pré-tratamento típico inclui borda de vidro/filing para dimensões finais, perfuração CNC de furos de sensor e botão, chanframento de borda para manuseio seguro, e polimento para qualidade óptica.

Passo 2 KNO em nitrato de potássio fundido O painel de vidro é revestido com uma camada de superfície moldável, pré-aquecida nos acessórios e abaixada no banho O sal fundido é mantido a 380-420 C. Temperatura do lote, pureza do sal e tempo de imersão são os três principais parâmetros do processo utilizados para ajustar a saída da operação para os requisitos de desempenho de impacto e DOL do cliente específico Os ciclos de revestimento de aluminossilicato padrão de 0,7 mm variam na ordem de 8 horas de duração Substratos mais grossos do que 0,7 mm ou mais altos DOL e os requisitos de resistência ao impacto podem exigir um tempo de imersão de duas vezes mais 16 horas em alguns padrões aeroespaciais.

Passo 3 3 criação da camada compressiva Durante a imersão, os íons de potássio (aproximadamente o dobro do tamanho do sódio) entraram na matriz no local de troca iônica, efetivamente “trocando a grande parte funcional com o íon de sódio menor que estava lá anteriormente Este grande diferencial de tamanho entre os dois contra-íons induz uma consolidação de rede, ou um estado de tensão compressiva no plano Para vidro de aluminossilicato de alta qualidade, os resultados são bastante previsíveis e comparáveis Um DOL de 25-55 um com um valor CS na faixa de 700-900 MPa pode ser obtido.

Passo 4 acabamento arrefecimento e garantia de qualidade à especificação Depois que os painéis são removidos do sal, eles são enxaguados, solventes-secos e deixados esfriar em um ambiente espacialmente controladoO CS e o DOL são verificados com um instrumento de tensão de superfície (FSM Fundamental Stress Meter).Quaisquer painéis que não atendam aos seus critérios de projeto são retrabalhados ou rejeitados pelo engenheiro de processo.

Troca iônica avançada de dois estágios Para algumas aplicações exigentes, um processo de dois banhos é empregado O primeiro banho, geralmente nitrato de sódio (NaNO) aquecido a aproximadamente 450 °C, resulta em uma camada de troca iônica muito profunda Em seguida, um segundo banho KNO, aquecido a 380-400 °C, resulta em uma camada superficial de alto CS no topo Este processo de dois estágios resulta em uma zona compressiva geral mais profunda do que um processo de banho único, com maior resistência a falhas profundas e melhor desempenho de queda em eletrônicos de consumo.

Relaxamento de estresse. A tensão compressiva não é permanente sob todas as condições Se o vidro quimicamente reforçado é exposto a temperaturas elevadas por períodos prolongados, a tensão compressiva gradualmente relaxa à medida que os íons se reequilibram lentamente É por isso que o controle da temperatura do banho é importante: muito alto, e a energia térmica desenrola parcialmente a tensão compressiva mesmo enquanto acelera a difusão de íons A otimização da produção equilibra a magnitude CS contra a profundidade do DOL, com a temperatura e a duração do banho como as alavancas primárias.

Para mais detalhes sobre capacidades e limitações de produção, consulte o nosso capacidades de reforço químico página, fornecendo especificações de equipamentos e números de capacidade.

Vidro quimicamente reforçado vs Vidro termicamente temperado

Ambos os processos químicos e térmicos reforçaram o vidro, mas trabalham através de mecanismos fundamentalmente diferentes e são adequados para diferentes espessuras de folha Enquanto o processo de têmpera térmica aqueceu o vidro acima de seu ponto de transição (~ 620 °C para cal sodada) e extinguiu as superfícies com jatos de ar, o resfriamento rápido e a solidificação exterior bloquearam a superfície em compressão Quando o interior posteriormente esfriou e contraiu, ele atraiu as superfícies temperadas em compressão Como descrito anteriormente, o fortalecimento químico substitui os íons subjacentes por outros maiores a uma temperatura significativamente mais baixa por um processo de difusão.

Esta diferença de mecanismo produz perfis de desempenho distintos:

Propriedade	Fortalecimento Químico	Temperamento Térmico
Espessura Mínima	0,33 mm (aluminossilicato)	~3 mm (limite prático)
Tensão Compressiva Superfície	7000 MPa (aluminossilicato)	80 MPa
Tempo de processo por lote	4 horas	~10 minutos
Distorção Óptica	Nenhum (sem aquecimento após a transição)	Possível (onda de rolo, marcas de extinção)
Padrão de quebra	Cacos afiados (semelhantes aos recozidos)	Cubos pequenos (“dice”)
Corte Pós-Tratamento	Possível (cal sodada, com cuidado)	Não é possível (quebra)
Custo por peça (em volume)	Mais alto (ciclo mais longo, custo do sal)	Inferior (produção rápida)
Norma ASTM Regendo	C1422/C1422M	C1048

Mito: “A química é sempre mais cara” Para painéis de vidro com mais de 4 mm de espessura na maioria dos volumes, o revenido térmico é sempre menos dispendioso Para vidro com menos de 3 mm de espessura, a comparação é sem sentido - o revenido térmico não pode gerar tensões de compressão altas o suficiente em um medidor tão fino, e assim é uma conclusão precipitada de que o fortalecimento químico é o único método Ao considerar os custos, os engenheiros devem comparar produtos finos quimicamente reforçados com produtos não reapertados, em vez dos produtos térmicos revenidos menos caros.

Nota sobre Borosilicatos: Baixo teor de álcalis na maioria das composições de borosilicidas (Pyrex, Schott Borofloat) geralmente abaixo de 51TP3 T, resulta em pouca troca iônica alcalina e valores mínimos de CS.

Quão forte é o vidro quimicamente fortalecido?

Os níveis de resistência são uma função da composição do substrato, condições de troca iônica e espessura do vidro Os substratos de aluminossilicato podem gerar tensão de compressão superficial máxima de ~ 700-900 MPa após o uso de ciclos padrão de troca iônica, enquanto a química mais convencional de cal sodada pode atingir idealmente apenas 80-150 MPa. Em testes de resistência à flexão de três pontos de acordo com ASTM C1422, painéis de aluminossilicato quimicamente reforçados (0,7 mm de espessura) foram capazes de suportar forças de flexão 6-8 vezes maiores que painéis de aluminossilicato recozidos (0,7 mm de espessura).

Em um teste semelhante, o vidro de cal sodada pode induzir valores de CS resistentes ao desgaste mais baixos, mas ainda marcadamente melhorados, de 250-350 MPa, em comparação com 40-70 MPa para cal sodada recozida. Para efeito de comparação, os maiores valores de CS publicados obtidos em composições de aluminossilicato de lítio foram superiores a 1.000 MPa, mas os substratos de produção tendem a ser muito mais confiáveis na faixa de 700-900 MPa, com alto rendimento igualmente aceitável.

O que EU aprendi mais sobre o fortalecimento químico através da minha carreira é que o estresse residual é apenas parte da história A população de falhas na superfície e relação da camada compressiva com essas falhas governa o desempenho específico Um alto valor de CS não será de nenhum benefício se a profundidade da camada for muito rasa para prender o tamanho da falha dominante.

• Karshneya, Presidente da Saxon Glass Technologies, Membro Distinto da ACerS Life

Saiba mais sobre os princípios de têmpera térmica, ou influencie essa temperatura Aprenda também como ela se compara à conversão química.

Propriedades e Especificações de Desempenho

O vidro quimicamente reforçado não é um produto, mas uma classe de produtos, e o desempenho dentro dessa classe pode variar amplamente dependendo do substrato As duas famílias mais comuns de substratos - perfis de aluminossilicato e cal sodada - têm propriedades que são muito diferentes após a troca iônica A tabela a seguir mostra as faixas de especificações de nível de produção para cada um.

Propriedade	Aluminossilicato	Cal Sodada
Tensão Compressiva (CS)	7000 MPa	2500350 MPa
Profundidade da Camada (DOL)	30 µm	10 µm
Força Flexural	6000 MPa	200300 MPa
Dureza Vickers	6200680 HV	5400 HV
Espessura Mínima	0,33mm	1,0mm
Transmitância (visível)	≥91,5%	≥89%
Neblina	≤0,3% (de acordo com ASTM D1003)	≤0,5%
Dureza Mohs	6.57	5.56
Temperatura Operacional	-40 a +300°C	-40 a +250°C

Laminação do pára-brisa automotivo

No campo automotivo, o vidro quimicamente reforçado foi implementado em pára-brisas, não como um substituto para o vidro de segurança laminado, mas como uma camada interna de maior resistência em um conjunto laminar Tal conjunto normalmente consistiria em camada externa de sodalima recozida + camada interna de polivinil butiral termoplástico (PVB) + camada interna de aluminossilicato quimicamente reforçada.

O Ford GT 2017 foi o primeiro veículo de produção a incorporar um Corning Gorilla Glass pára-brisas híbrido. Esta camada interna quimicamente reforçada permitiu à Ford diminuir a espessura total do pára-brisas, poupando mais de 12 libras (5,4 kg) em relação ao pára-brisas laminado padrão, ao mesmo tempo que oferece 5 a resistência ao impacto da construção tradicional. Este redutores de peso reduz o consumo de combustível e, ao mesmo tempo, melhora o manuseio (dinâmica) do veículoa2.

A mesma regra de laminação se aplica Dragontrail vidro e outros substratos de aluminossilicato quimicamente reforçados usados para vidros automotivos sem pára-brisa, como painéis de teto solar, vidros traseiros e luzes laterais, onde o objetivo desejado de economia de peso é extremamente agressivo.

Aplicações em todos os setores

Os 5 campos básicos de aplicação para vidro quimicamente reforçado têm diferentes demandas de espessura, resistência e ambiente A escolha do substrato, especificação CS/DOL e pilha de revestimento são específicos da aplicação.

1. Eletrônica de Consumo

Telemóveis, tablets, smartwatches e ecrãs de computador/laptop são de longe a aplicação de maior volume de vidro quimicamente reforçado A espessura típica do vidro de cobertura é de cerca de 0,33 mm para dispositivos vestíveis e 0,7 mm para telemóveis A marca mais conhecida nesta aplicação é a Gorilla Glass da Corning, o nome mais comum para vidro de aluminossilicato quimicamente reforçado A listagem por vezes mascara o facto de ser vidro de aluminossilicato quimicamente reforçado: de facto, em comum com todos os outros vidros quimicamente reforçados, a Corning aplica o mesmo processo de reforço de troca iónica descrito acima a materiais especificamente desenvolvidos para aplicações modernas de consumo Cada geração (Gorilla Glass 1 através Gorilla Glass Victus 2) é uma série de melhorias incrementais na mesma composição de aluminossilicato com alguma proximidade com a tecnologia de troca iónica.

2. painéis industriais da IHM e do toque

Vidro de cobertura para interfaces de automação de fábrica, painéis de operadores de máquinas CNC, terminais de ponto de venda e displays de quiosque é o que é chamado para vidro de aluminossilicato quimicamente reforçado de 1,1-3 mm Essas aplicações são otimizadas para sobrevivência ao impacto e resistência a arranhões, em vez de facilidade de manuseio na aderência normal Esses painéis nem sempre são temperados termicamente porque geralmente são projetados para operar em profundidades abaixo da espessura de 3 mm, onde o revenido térmico é mais eficaz e o fortalecimento químico oferece benefícios significativos em CS e qualidade óptica.

Um OEM do dispositivo médico precisou o vidro da tampa do aluminossilicato de 0.55 mm com CS700 MPa e o revestimento duplo de AF+AR para uma exposição portátil do ultra-som, com aprovação de RoHS/REACH a fim ganhar a folga de FDA A combinação do reforço químico e da pilha de revestimento da multi-camada nesta aplicação forneceu a resistência e a operação do risco no local clínico nos ambientes sujeitados aos toalhetes repetidos do álcool para a limpeza, que degradariam rapidamente superfícies não revestidas.

3. Dispositivos Médicos

Expositores médicos, como monitores de pacientes, displays cirúrgicos, diagnósticos e sistemas de administração de medicamentos, também usam vidro quimicamente reforçado As especificações médicas exigem processos como conformidade com RoHS, restrições de substâncias REACH e testes de biocompatibilidade, dependendo da aplicação pretendida para o dispositivo e do nível de contato com o paciente.

Uma aplicação que é muito frequentemente citada em publicações médicas é o uso pela Saxon Glass Technologies de cartuchos de vidro de borossilicato quimicamente reforçados para auto-injetores, ou EpiPens Antes de lançar o dispositivo através do processo de aprovação da FDA, os cartuchos de vidro eram recozidos; no caso de um paciente bater o dispositivo injetor contra sua coxa, os cartuchos de vidro às vezes quebravam antes de injetar toda a dose de epi A mudança para cartuchos quimicamente reforçados praticamente eliminou esse problema, provavelmente salvando vidas.

4. Automotivo e Transporte

Além do uso acima mencionado de vidro quimicamente reforçado como uma camada intermediária de laminação em pára-brisas, existem muitas outras aplicações onde ele usado como um vidro de cobertura em carros que exigem muito menos segurança de danos do que pára-brisas: em head-up displays, aplicações de infotainment, conjuntos de instrumentos, sistemas de entretenimento de banco traseiro Normalmente, a especificação requer operação de 40 C a +85 C (ou +105 C sob traço em alguns casos), durabilidade UV e sobrevivência sob a série Bogue “ISO 16750” de padrões para vibrações automotivas.

Quando um fornecedor automotivo de nível 1 exigia vidro de cobertura para um painel de instrumentos de próxima geração cobrindo 30 C a +85 C, a espessura padrão do vidro temperado de 3 mm adicionava muito peso. Usando um aluminossilicato quimicamente reforçado de 1,1 mm e gravação AG e revestimento AF, reduziu o impacto de vibração do painel para a série Bogue Bogue Bogue D wave-BV2, economizando 60% de peso.

5. Militar e Aeroespacial

Os monitores da cabine e as tabuletas robustas, a ótica de exposição cabeletmounted, as janelas do periscópio do veículo empregam o vidro temperado quimicamente, com exigência da linha de base do teste ambiental de MILSTD-810 G, do UV de alta altitude e do ciclismo da temperatura A redução do peso é crítica no espaço aéreo onde mesmo uma onça impacta o consumo de combustível e a carga útil.

Novos laminados cerâmicos de vidro fundido para conjuntos de exibição de cabine de ‘grau óptico’ para aeronaves militares devem ‘suportar impactos de pássaros com nó 400+. Conjuntos laminados de aluminossilicato quimicamente reforçados fornecem isso com transmitância >91% após a primeira luz de exposição UV. Uma combinação de têmpera térmica por si só não pode fornecer na bitola necessária de 2 mm.

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Como especificar vidro quimicamente reforçado para seu projeto

Escolha as dimensões que realmente correspondem à sua aplicação, para cinco especificações principais A lista de verificação a seguir orienta você através das decisões, pois uma equipe de produção precisaria delas.

Quadro de decisão

Requisito	Substrato	Método	Porquê
<1 mm + alto impacto	Aluminossilicato	Químico	Térmica não pode processar <3 mm
1 mm + controle de custos	Cal sodada	Químico	Menor custo do substrato, ainda abaixo do limite térmico
>4 mm + formato grande	Flutuador/cal sodada	Térmico	Ciclo mais rápido, menor custo em escala
Claridade óptica crítica	Aluminossilicato + AR	Químico	Distorção óptica zero do processo
Conformidade MIL-STD	Aluminossilicato	Químico + laminado	Método único que atende especificações militares de bitola fina

Para orientação específica do projeto, soluções de vidro de cobertura personalizadas inclua consultas de engenharia sobre seleção de substrato, compatibilidade de revestimento e parâmetros de fortalecimento.

Perguntas frequentes

O que é o vidro quimicamente reforçado Garmin?

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Garmin usa quimicamente reforçada relógios GPS muitos de seus, computadores de bicicleta, e navegadores de mão O tipicamente um substrato de aluminosilicato fino que passou por processamento de troca iônica padrão Garmin não fabrica o vidro em si fontes de vidro quimicamente reforçada cobertura de fornecedores de vidro especial.

O vidro quimicamente reforçado quebra?

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Sim. Chem é significativamente mais difícil de quebrar recozido vidro para 8 vezes mais resistente ao impacto e flexão vidro reforçado não é inquebrável impacto ponto suficiente, dano, ou força de flexão além da capacidade da camada compressiva causará fratura Quando ele faz quebrar, produz cacos afiados semelhantes ao vidro recozido, não os pequenos cubos característicos do vidro termicamente temperado É por isso que aplicações críticas de segurança emparelhar reforço químico com laminação.

Quimicamente vidro reforçado Gorilla Glass vs qual a diferença?

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Gorilla Glass é um nome de marca criado pela Corning para um vidro particular de Aluminosilicato quimicamente reforçado O termo “Chemically structed glass” é um nome genérico para qualquer tipo de vidro quimicamente reforçado (a Corning especifica o uso do termo “Chemically structed glass” para distingui-lo do calor reforçado ou de outros tipos de processos de reforço).A Gorilla Glass é um dos vários vidros quimicamente reforçados nesta categoria; outros incluem AGC Dragontrail, Schott Xensation e outros substratos quimicamente reforçados não marcados.

O vidro quimicamente reforçado pode ser cortado após o tratamento?

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Depende do. O vidro de cal sodada quimicamente reforçado pode ser pontuado e cortado pós-tratamento com algum cuidado (o substrato), seu CS inferior e DOL mais raso permite que a fratura ocorra ao longo da linha de pontuação se cuidadosamente aplicado.O aluminossilicato quimicamente reforçado com CS elevado (>600 MPa) é significativamente mais difícil de cortar pós-tratamento - a energia compressiva residual incentivará um acúmulo mais descontrolado de rachaduras.

A melhor solução é fazer toda a troca de pré-íons de corte e usinagem.

O que é adicionado ao Gorilla Glass para torná-lo mais forte?

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Nenhum é adicionado ao vidro Gorilla Glass fortalece através da troca iônica Pequenos íons de sódio são substituídos na superfície por íons de potássio maiores de um banho de sal fundido.

Devido à sua composição (aluminossilicato), o Gorilla Glass foi otimizado para permitir que essa troca iônica ocorra prontamente O aumento da força é, portanto, devido ao processo.

O vidro quimicamente reforçado deve ser selado?

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A vedação não é necessária em vidro quimicamente reforçado, a fim de garantir a sua estabilidade estrutural como a camada de compressão faz parte do vidro em si, não um revestimento que se deteriora Em muitas aplicações embora, revestimentos funcionais por exemplo anti-impressão digital, anti-reflexo ou oleofóbico são adicionados para dar propriedades de superfície e limpeza passiva Estes revestimentos são aplicados antes da troca iônica e fazem parte do painel final.

Alternativamente, a vedação das bordas pode ser especificada em painéis laminados ou colados para proteger contra a entrada de umidade na interface adesiva.