33078

بررسي تاثير چيدمان، هندسه الكترود ها و شدت ميدان الكتريكي بر الگوي نفوذ يوني در فرآيند تعويض يوني شيشه سودالايم

دكتري

مهندسي مواد و متالورژي

1398

1403/11/27

دكتر بيژن افتخاري يكتا

-

مهندسي مواد و متالورژي

در اين پژوهش، فرآيند تعويض يوني K+⇋Na+ در شيشه‌هاي سودالايم تحت تأثير اعمال ميدان الكتريكي يكسو(DC) مورد بررسي قرار گرفته است. تركيب شيشه پايه، دما، زمان، شدت ميدان الكتريكي، آرايش الكترودها و نوع يون‌هاي تعويض‌شونده از عوامل كليدي تأثيرگذار بر اين فرآيند بوده كه در اين تحقيق به‌طور جامع مطالعه شده‌اند. به منظور مشخصه‌يابي نمونه‌ها، از آزمون‌هاي ميكروسختي ويكرز، SEM-EDS، بيضي‌سنجي (VASE)، طيف جذب UV-VIS، استحكام خمشي سه‌نقطه‌اي و اندازه¬گيري تنش سطحي(FSM) بهره گرفته شد. همچنين، شبيه‌سازي ميدان الكتريكي به‌منظور درك بهتر توزيع شدت ميدان در حالت غيريكنواخت انجام شد و با برازش پروفايل‌هاي غلظتي پتاسيم، ضرايب نفوذ در ميدان‌هاي مختلف محاسبه گرديد. علاوه بر اين، تنش فشاري پسماند در سطح شيشه از طريق اندازه‌گيري طول ترك‌ها محاسبه شد. پژوهش حاضر در دو بخش اصلي شامل (1) بخش آزمايشگاهي و (2) بخش مدل‌سازي انجام گرفته است. در بخش آزمايشگاهي، راهكارهايي براي كنترل عمق لايه و تنش فشاري سطحي با هدف بهينه‌سازي خواص نوري و مكانيكي شيشه‌ها ارائه شد. نتايج نشان داد كه تنظيم متغيرهايي نظير زمان، دما و شدت ميدان الكتريكي، به‌همراه آرايش الكترودها، بر پروفايل غلظتي يون‌ها و خواص تريبولوژيكي همچون سختي و الگوي شكست تأثيرگذار است. به‌عنوان مثال، افزايش شدت ميدان الكتريكي از V/cm 400 به V/cm 2000 در دماي °C 400 و مدت‌زمان 5 دقيقه، عمق نفوذ يوني را از μm3 به μm13 افزايش داد و سختي نمونه‌ها را از kgf/mm2 680±35 به kgf/mm² 745±35 افزايش داد. همچنين، ضريب نفوذ يون پتاسيم از محدوده cm^2.s^(-1) 10-12 × 11 در ميدان V/cm 400 به محدوده cm^2.s^(-1) 10-12 × 18 در ميدان V/cm 2000 رسيد. نتايج همچنين حاكي از آن است كه افزايش شدت ميدان الكتريكي، طول ترك‌هاي شعاعي و جانبي را به‌طور قابل‌توجهي كاهش مي‌دهد. براي نمونه‌اي كه تحت دماي °C 400، مدت‌زمان 5 دقيقه و شدت ميدان V/cm 2000 تعويض يوني شده بود، حتي با اعمال نيروي Kgf2 توسط فرورونده ويكرز، هيچ ترك شعاعي يا جانبي مشاهده نشد. اين امر نشان‌دهنده موفقيت فرآيند تعويض يوني و ايجاد لايه‌اي با تنش فشاري بالا در زيرلايه شيشه‌اي است. همچنين، غلظت و عمق لايه يون‌هاي تعويض‌شونده در نزديكي كاتد به μm13 افزايش يافت كه منجر به ايجاد پروفايلي از تنش فشاري در بازه Mpa 100- تا MPa 550- و كنترل ضريب شكست زيرلايه شيشه‌اي شد. در بخش مدل‌سازي، رويكردي محاسباتي براي طراحي معكوس تركيبات شيشه‌هاي قابل تعويض يوني توسعه داده شد. اين رويكرد با هدف دستيابي هم‌زمان به عمق لايه بالا (DOL) و تنش فشاري سطحي زياد (CS) طراحي گرديد. روش پيشنهادي با ادغام الگوريتم ژنتيك چندهدفه و مدل‌هاي يادگيري ماشين به بهينه‌سازي هم‌زمان DOL و CS پرداخت. مدل‌هاي مورد استفاده با يك مجموعه داده شامل 65 نقطه آزمايشي اعتبارسنجي شدند. در اين پژوهش، 16 تركيب شيشه‌اي در سيستم SiO2-B2O3-Al2O3-MgO-Na2O به‌عنوان تركيبات بهينه از نظر DOL و CS شناسايي شدند. برخي از اين تركيبات به عمق لايه‌اي تا μm95 با تنش فشاري معادل MPa890 دست يافتند.

1403/12/11

Investigating the Influence of Electrode Configuration and Non-Uniform Electric Field Intensity on Ion Diffusion Patterns in Soda-Lime Glasses

2/15/2026 12:00:00 AM

This thesis explores the electric field-assisted ion exchange process, a technique typically conducted at temperatures below the glass transition temperature (Tg) by substituting smaller ions with larger ones. The introduction of an external electric field in this process significantly enhances the rate and efficiency of ion exchange. Key factors such as the parent glass composition, temperature, duration, electric field intensity, electrode geometry and configuration, and the types of ions involved in the exchange are thoroughly examined in this study. The research is divided into two main sections: (1) the experimental section and (2) the modeling section. The experimental section presents strategies for improved control of the ion exchange process by adjusting variables such as time, temperature, and electric field intensity. The findings reveal that modifications to process variables and electrode configurations can optimize the optical and mechanical properties of glass samples. Notably, electric field intensity and electrode configuration have a profound impact on the concentration profiles of ions and tribological properties, including hardness and Vicker’s impression patterns. For instance, increasing the electric field intensity from 400 V/cm to 2000 V/cm at 400°C for 5 minutes resulted in an increase in hardness from 680±35 kgf/mm² to 745±35 kgf/mm², accompanied by a substantial reduction in the average length of radial and lateral cracks. In certain samples, no radial or lateral cracks were observed even under the application of a 1 kgf force using a Vickers indenter, highlighting the successful formation of a high compressive stress layer in the glass substrate through ion exchange. Furthermore, the results indicate that ion concentration can be precisely controlled by adjusting the electric field intensity and electrode configuration, allowing for the engineering of stress profiles and, consequently, the refractive index profiles of the glass. The proximity towards the cathode increased the concentration and depth of the exchanged ion layer, facilitating the creation of a compressive stress profile ranging from -100 MPa to -550 MPa at specified locations and enabling the control of the glass substrate's refractive index within this range. The modeling section introduces a novel computational approach for the inverse design of ion-exchangeable glass compositions. This approach is designed to simultaneously achieve high-depth layers (DOL) and high surface compressive stress (CS), addressing the inherent challenges posed by the conflicting requirements of these two metrics in the ion exchange process. The proposed computational framework integrates a multi-objective genetic algorithm with machine learning models to optimize DOL and CS concurrently. The validity of the proposed models was confirmed through a dataset comprising 65 experimental data points. The study identifies sixteen optimal glass compositions within the SiO2-B2O3-Al2O3-MgO-Na2O system, demonstrating exceptional properties. Some of these compositions achieved layer depths of up to 95 µm with compressive stresses reaching 890 MPa.

تعويض يوني , ميدان الكتريكي , تنش فشاري پسماند , يادگيري ماشين , الگوريتم ژنتيك

Ion-exchange , Electric field-assisted , Compressive stress , Machine learning , Genetic algorithm

Omid Banapour Ghaffari

Bijan Eftekhari Yekta