Keemilise karastamise põhimõtted ning eelised ja puudused

Keemiline karastamine, tuntud ka kui ioonivahetuse tugevdamine, on klaasi karastamise meetod, mille käigus muudetakse selle pinna koostist keemiliste vahenditega. See suurendab klaasi mehaanilist tugevust ja termilist stabiilsust, tekitades pinnale survepinge. See tehnika saavutatakse ioonivahetusprotsessi kaudu. Keemilise karastamise võib ioonivahetuse temperatuuri alusel jagada kahte kategooriasse: madala temperatuuriga ioonivahetus (alla klaasistumistemperatuuri) ja kõrge temperatuuriga ioonivahetus (üle klaasistumistemperatuuri).

Keemilise karastamise põhimõte seisneb ioonide difusiooni mehhanismis. Kastes klaasi kõrge temperatuuriga sulasoolavanni, hajuvad leelismetalliioonid klaasi sees ja vahetuvad sulas soolas leelismetalliioonidega, mille tulemuseks on nähtus, mida nimetatakse "rahvastikuks". See tõrjuv efekt tekitab klaasi pinnale survepinge, suurendades seeläbi selle tugevust.

Klaasi võrgustiku struktuuriteooria kohaselt koosnevad klaasmaterjalid amorfsest kolmemõõtmelisest võrgustikust, mis koosneb hapniku polüeedritest, mille kesksed positsioonid on alumiinium (Al) või fosfor (P). Need ioonid koos leelismetalliioonidega (nt naatriumi ja kaaliumi) moodustavad klaasivõrgu. Keemilises karastamises kalduvad leelismetalliioonid klaasist difundeeruma ja eralduma, põhjustades pinna koostise muutumist ja survepingega pinnakihi moodustumist. Ioonivahetusel tekkiv survepingekiht on aga suhteliselt õhuke ja pinnadefektide suhtes tundlik. Isegi väikesed kriimustused võivad oluliselt vähendada klaasi tugevust.

Eelised ja miinused:

Keemiliselt karastatud klaasi tugevus on võrreldav füüsiliselt karastatud klaasiga ning suurepärane termiline stabiilsus. Seda saab töödelda madalamatel temperatuuridel, see säilitab oma kuju tootmise ajal ning seda ei piira paksus ega geomeetriline kuju. Keemilise karastamise jaoks vajalikud seadmed on lihtsad ja tootmisprotsess suhteliselt lihtne. Kuid võrreldes füüsiliselt karastatud klaasiga on keemilisel karastamisel mõned puudused. Tootmistsükkel on pikem (vahetusaeg võib ulatuda mitmekümne tunnini), mille tulemuseks on madalam efektiivsus ja kõrgemad tootmiskulud (sest sulasoola ei saa ringlusse võtta ja kõrge puhtuse nõue). Keemiliselt karastatud klaasikillud sarnaselt tavalisele klaasile, mis vähendab selle ohutust. Lisaks on selle omadused keemilise stabiilsuse osas vähem stabiilsed ning selle füüsikalised omadused, nagu mehaaniline tugevus ja löögikindlus, võivad aja jooksul kiiresti halveneda.

Rakendused:

Keemiliselt karastatud klaas leiab laialdasi rakendusi erineva paksusega lehtklaasi, õhukeseseinalise klaasi ja vormitud klaastoodete puhul, aga ka tulekindlas klaasis.

Kokkuvõtlikult võib öelda, et keemiline karastamine on klaasi tugevdamise tehnika, mis muudab ioonivahetuse kaudu klaasi pinna koostist, luues survepingekihi. See pakub eeliseid, nagu parem tugevus, termiline stabiilsus ning kuju ja paksuse mitmekülgsus. Siiski on sellel ka piiranguid tootmisaja, kulude, ohutuse ja stabiilsuse osas. Keemilise karastamise põhimõtete ja rakenduste mõistmine aitab kindlaks teha selle sobivuse teatud klaasinõuetele.