26836

استحكام دهي شيشه سودالايم به روش تعويض يوني با استفاده از ميدان الكتريكي

ارشد

مهندسي مواد -سراميك

1398

1401/04/22

دكتربيژن افتخاري يكتا-دكتر عليرضا آقايي

دكتر سارا بني جمالي

مواد متالورژي

روش تعويض يوني يكي از روش¬هاي استحكام دهي شيشه¬هاي سيليكات قليايي با ضخامت كم مي¬باشد. در اين پژوهش براي افزايش استحكام شيشه¬هاي سيليكات سديم آهكي (سودالايم) از روش تعويض يوني به كمك ميدان الكتريكي براي تبادل سديم و پتاسيم استفاده شد. ميدان الكتريكي به دو صورت ولتاژ ثابت و جريان ثابت اعمال شد. در روش ولتاژ ثابت از ولتاژهاي 120 ،20،63 ولت و در روش جريان ثابت از جريان هاي 90،50¬ و 15ميلي آمپر استفاده شد و زمان كل اعمال ميدان الكتريكي 10 دقيقه بود كه بعد از 5 دقيقه قطب¬هاي ميدان عوض شد كه هر طرف شيشه به مدت 5 دقيقه تحت ميدان الكتريكي قرارگرفت. با استفاده از آناليز طيف سنجي پراش انرژي اشعه x(EDS) به صورت روبش خطي (Line Scan) توسط ميكروسكوپ روبشي گسيل ميداني، مشخص شد در نمونه هايي كه تحت تعويض يوني به كمك ميدان الكتريكي به روش جريان ثابت قرار گرفته بودند پتاسيم به عمق هاي بيشتري نفوذ كرده بود كه بيشترين عمق نفوذ (حدود19ميكرومتر ) براي نمونه هاي با كد 90 M (جريان ثابت 90 ميلي آمپر) بود كه دليل آن بخاطر افزايش ولتاژ و قدرت ميدان الكتريكي براي جبران مقاومت ايجاد شده توسط لايه اكسيدي روي الكترود هاي تيتانيمي و لايه تبادل يوني ايجاد شده در سطح شيشه در همان لحظات ابتدايي تعويض يوني بود كه همين افزايش ولتاژ، باعث ثابت نگهداشتن جريان شد و در نتيجه پيوند سديم¬هاي بيشتري (حتي سديم هايي كه در عمق¬هاي بيشتري نسبت به سطح شيشه قرار داشتند) با اكسيژن غير پل زن شكسته شد و آن¬ها از سطح شيشه خارج شدند و پتاسيم جايگزين آن¬ها شد. در نتيجه ميزان غلظت پتاسيم در سطح و ميزان مول جابه¬جا شده در اين نمونه¬ها (90M) بيشتر بود و اين تبادل (سديم/پتاسيم) باعث ايجاد تنش فشاري روي سطح نمونه¬ها مي ¬شود و اين تنش فشاري موجب افزايش استحكام و سختي شيشه¬ها مي¬شود. كه با توجه به عمق تبادل و غلظت سطحي و ميزان مول جابه¬جا شده استحكام خمشي نمونه ها در روش ولتاژ ثابت با افزايش ولتاژ از57/4MPa به MPa 134/4و در روش جريان ثابت با افزايش مقدار جريان ثابت به 164/4MPa رسيد و سختي نمونه ها در روش ولتاژ ثابت از Kg/mm2 558 به Kg/mm2 680 و در روش جريان ثابت به Kg/mm2 701 رسيد.

1401/05/25

Strength enhancement of soda-lime glass using ion exchange method with external electic field

7/13/2023 12:00:00 AM

In the present research, the ion-exchange method is used to enhance sodium-silicate-lime glasses for exchanging potassium with sodium, employing an external electric field. The external electric field is applied to utilize both constant current (CC), and constant voltage (CV) approaches. In CV method, the 20 V, 63 V, and 120 V voltages, and in CC method 15 mA, 50 mA, and 90 mA currents are used. The electric field is applied for 10 minutes, which after 5 minutes the poles were changed, so that both sides would be under the electric field for 5 minutes. The EDX line scan analysis, employing a field emission scanning electron microscope, revealed that in samples that were under ion exchange with the CC method, potassium was diffused deeper in the glass. The maximum diffusion depth was for the 90 mA sample, as the higher voltage had enough power to overcome the resistance of the oxide layer formed on the titanium electrode. The formed ion exchange layer was in the early moments of the ion exchange process, which broke more single bonds of sodium ions – even those in deeper depths of glass – with non-bridging oxygens so that they could be freed from the surface of the glass and potassium would be replaced. Also, the potassium ions, which were displaced in the early moments, could diffuse to a depth of the glass, causing compressive stress on the surface. This compressive stress has enhanced the strength and hardness of the glasses. On account of exchange depth and replaced potassium moles, the highest values of strength and hardness belong to the 90 mA sample.

استحكام، تعويض يوني، تنش فشاري، سختي، ميدان الكتريكي

Strength, ion exchange, compressive stress, hardness, electric field

miladjafari

alireza aghaei-bijan eftekhari yekta