Spannungsaufbau beim Ionenaustausch von Gläsern

Abstract

Ein handelsübliches Flachglas wurde unterhalb des Transformationspunktes bei Temperaturen zwischen 400 und 480 °C einem Kalium/Natrium-Ionenaustausch (KNO₃-Schmelze) unterworfen (4 bis 64 h). Die Spannungsprofile wurden spannungsoptisch nach der Methode von SNARMONT an dünnen, aus ionenausgetauschten Platten herausgeschnittenen Scheiben gemessen. Die durch den Ionenaustausch erzeugten Konzentrationsprofile wurden mit einer natrium-spezifischen Glaselektrode bzw. der Atomabsorptionsspektroskopie ermittelt. In Analogie zu der Berechnung von Thermospannungen werden aus den Konzentrationsprofilen Spannungen berechnet und mit den experimentellen verglichen. Die dabei auftretenden Abweichungen sind u. a. auf einen orts- und zeitabhängiggen Gitterausdehnungskoeffizienten zurückzuführen. Darüber hinaus wird die Existenz eines zweidimensionalen Spannungszustandes in einer ionenausgetauschten Platte diskutiert. Die Analyse der Konzentrationsprofile führt auf konzentrationsabhängige Interdiffusionskoeffizienten, die einen maximalen Wert durchlaufen. Die Abhängigkeit des Interdiffusionskoeffizienten vom Mischalkalieffekt und von den beim Ionenaustausch induzierten Druckspannungen wird erörtert. Stress formation by ion exchange of glasses A commercial flat glass was treated in a KNO₃ melt to produce potassium/sodium ion exchange below the trans-formation range (400 to 480 °C) for times from 4 to 64 h. The stress profile was measured by SÉNARMONT compensator data on thin discs cut out of ion-exchanged plates, whilst the concentration profiles were determined by means of a sodium-specific glass electrode and atomic absorption spectroscopy. Stresses were calculated from the concentration distributions, by analogy with thermal stresses, and compared with the experimental data. The differences observed can be attributed to a local and time dependent lattice expansion. In addition the existence of a two dimensional stress field in an ion exchanged plate is discussed. The analysis of the concentration profile showed the effective diffusivity to be concentration dependent and to go through a maximum. The dependence of diffusivity on the mixed-alkali effect and on the stresses induced by ion exchange are discussed. Structure des contraintes lors d'un échange ionique dans les verres Un verre plat commercial est soumis pendant des durées allant de 4 à 64 h à un échange des ions sodium et potassium (fonte de KNO₃) à des températures inférieures à la température de transformation et comprises entre 400 et 480 °C. Les profils de contraintes sont mesurés par photoélasticimétrie selon la méthode de SNARMONT sur des disques minces dé-coupés dans des plaques ayant subi l'échange ionique. Les profils de concentration obtenus par échange ionique sont déterminés par une electrode de verre — spécifique à sodium — et par spectroscopie d'absorption atomique. Par analogie avec le calcul des contraintes thermiques, on calcule les con-traintes à partir des profils de concentration et l'on compare les résultats aux valeurs trouvées expérimentalement. Les écarts constatés sont notamment dus à un coefficient de dilatation du réseau lié à l'emplacement et au temps. On discute en outre l'existence d'un état de contraintes bidimen-sionnel dans une plaque soumise à l'échange ionique. L'analyse des profils de concentration fournit des coefficients d'interdiffusion liés à la concentration, qui passent par une valeur maximale. La relation qui lie le coefficient d'interdiffusion à l'effet alcali mixte et aux contraintes de com-pression qui prennent naissance lors de l'échange ionique est discutée.