زجاج مقوى كيميائياً

الزجاج المقوى كيميائياً هو نوع من الزجاج يتميز بقوة متزايدة نتيجة لعملية كيميائية تُجرى بعد الإنتاج . عند كسره، يتفتت إلى شظايا طويلة مدببة تشبه الزجاج المصقول . لهذا السبب، لا يُعتبر زجاج أمان ، ويجب أن يكون مُرققاً إذا لزم الأمر. مع ذلك، فإن قوة الزجاج المقوى كيميائياً تفوق قوة الزجاج المصقول بستة إلى ثمانية أضعاف. العلامة التجارية الأكثر شيوعاً لهذا النوع من الزجاج هي " غوريلا غلاس" .

يُعدّ الزجاج من أقدم المواد التي صنعها الإنسان، إذ يعود تاريخه إلى حوالي 4000 عام، عندما اكتشف الحرفيون العاملون في بلاد ما بين النهرين، الواقعة بين نهري دجلة والفرات، فنّ مزج الرمل والصودا والجير لصنع الزجاج. ^{[ 1 ]} وعلى مرّ العصور، استكشف الإنسان التبادل الأيوني المبكر في الزجاج لتزيين وتلوين المصنوعات الزجاجية بمساحيق الفضة أو النحاس . ^{[ 2 ]}

لم تُرسَخ أسس تطبيق عملية التبادل الأيوني في المجال التقني والصناعي إلا في مطلع القرن العشرين تقريبًا. ^{[ 3 ]} في عام 1913، كان غونتر شولتز أول من درس انتشار أيونات الفضة في الزجاج باستخدام ملح نترات الفضة ( AgNO3 ₎ كمصدر للأيونات ، مُطلقًا بذلك سلسلة من الدراسات التي هدفت إلى فهم الطبيعة الكيميائية والفيزيائية لهذه الظاهرة وتأثيراتها على بعض الخصائص الفيزيائية للزجاج المُعالَج . وعلى وجه الخصوص، بعد بضع سنوات، وتحديدًا في عام 1918 في مختبر شوت للزجاج ، تم إثبات أن التبادل الأيوني يُؤدي إلى زيادة معامل انكسار طبقة الزجاج المُشاركة في عملية الانتشار. ^{[ 4 ]}

بعد تطوير مادة بايروسيرام في خمسينيات القرن العشرين، بدأت شركة كورنينج برنامجًا للبحث والتطوير يُعرف باسم مشروع ماسل لتحسين صلابة الزجاج. ^{[ 5 ]} وبحلول ذلك الوقت، أصبحت تقنية التبادل الأيوني عملية صناعية مفهومة جيدًا. بدأ إس. دونالد ستوكي أبحاثه حول استخدامها في التقوية بحلول يونيو 1960، ^{[ 6 ]} ونوقش الموضوع في ندوة عُقدت في فلورنسا في سبتمبر 1961، ^{[ 7 ]} ولكن ستيفن كيستلر ^{[ 8 ]} ، وبشكل مستقل، بول هنري أكلوك وجان بول توشون من شركة سان جوبان، هم من تمكنوا من تحسين قوة الضغط ثلاثة أضعاف في عام 1962. ^{[ 6 ]} وقد ساهم استبدال أيونات الصوديوم الأصغر (Na ^{+ ) بأيونات} البوتاسيوم الأكبر (K ^{+ ) في مصفوفة} الزجاج الأصلية في منع أو معالجة التشققات الدقيقة/النانوية المحتملة على سطح العينة، مما زاد من قوتها الميكانيكية . ^{[ ٨ ]} سرعان ما اكتشف باحثو كورنينج أن إضافة أكاسيد الألومنيوم والزركونيوم تُحسّن الخصائص بشكل أكبر. ^{[ ٩ ] [ ٦ ]} ومنذ ذلك الحين، بُذلت جهودٌ حثيثة في هذا المجال على المستويين البحثي والصناعي.

لا تتأثر قوة الزجاج الفعلية بشكل ملحوظ بعملية التبادل الأيوني. بدلاً من ذلك، تُحدث عملية تشطيب السطح حالة من الإجهاد المتبقي المفيد . يُغمر الزجاج في حمام من ملح البوتاسيوم المنصهر (عادةً نترات البوتاسيوم ) عند درجات حرارة 334 درجة مئوية (630 درجة فهرنهايت) أو أعلى. ^{[ 10 ]} يؤدي ذلك إلى استبدال أيونات الصوديوم الموجودة على سطح الزجاج بأيونات البوتاسيوم من الحمام.  

أيونات البوتاسيوم هذه أكبر حجمًا من أيونات الصوديوم ، ولذلك تتخلل الفراغات التي تتركها أيونات الصوديوم الأصغر حجمًا عند هجرتها إلى نترات البوتاسيوم المنصهرة. يؤدي هذا الاستبدال للأيونات إلى انضغاط سطح الزجاج وتوتر لبّه. قد يصل انضغاط سطح الزجاج المقوى كيميائيًا إلى 690 ميجاباسكال (100,000 رطل لكل بوصة مربعة) . 

تعتمد آلية التقوية على حقيقة أن مقاومة الزجاج للضغط أعلى بكثير من مقاومته للشد. فمع تعرض كلا سطحي الزجاج للضغط، يتطلب الأمر قدرًا معينًا من الانحناء قبل أن يتعرض أحدهما للشد. ويتطلب الأمر مزيدًا من الانحناء للوصول إلى مقاومة الشد. أما السطح الآخر، فيتعرض لإجهاد ضغط متزايد. ولكن نظرًا لأن مقاومة الضغط فيه أكبر بكثير، فلا يحدث أي انهيار ناتج عن الضغط.

نظرًا لأن سطح الزجاج المقوى كيميائيًا يتعرض للضغط، فإنه يتمتع بمقاومة للخدش أعلى بكثير من الزجاج غير المعالج. ولهذا السبب تُصنع شاشات الهواتف المحمولة عادةً بهذه الطريقة. ولأن الهواتف تُحمل عادةً في الجيب أو الحقيبة مع أشياء أخرى مثل المفاتيح، فإن مقاومة الخدش تُعدّ أمرًا بالغ الأهمية.

توجد أيضًا عملية متطورة من مرحلتين لتصنيع الزجاج المقوى كيميائيًا، حيث يُغمر الزجاج أولًا في حمام من نترات الصوديوم عند درجة حرارة 450  درجة مئوية (842  درجة فهرنهايت)، مما يُغني سطحه بأيونات الصوديوم. يُبقي هذا كمية أكبر من أيونات الصوديوم على الزجاج، ليتم استبدالها بأيونات البوتاسيوم عند غمره في نترات البوتاسيوم. وبهذه الطريقة، يزيد استخدام حمام نترات الصوديوم من إمكانية انضغاط سطح الزجاج النهائي.

تُنتج عملية التقوية الكيميائية قوةً مشابهةً للزجاج المقسّى . إلا أن هذه العملية لا تستخدم تغيراتٍ حادةً في درجات الحرارة، ولذلك فإن الزجاج المُقوّى كيميائيًا يتميز بانحناءٍ أو تشوهٍ بصريٍّ ضئيلٍ أو معدوم، ونمط إجهادٍ واضح. وهذا يختلف عن الزجاج المقسّى، حيث يمكن أن تنحني القطع الرقيقة منه بشكلٍ ملحوظ.

وعلى عكس الزجاج المقوى، يمكن قطع الزجاج المقوى كيميائياً بعد تقويته، ولكنه يفقد قوته الإضافية في حدود 20  مم تقريباً من مكان القطع. وبالمثل، عندما يتعرض سطح الزجاج المقوى كيميائياً لخدش عميق، تفقد هذه المنطقة قوتها الإضافية.

من سلبيات الزجاج المقوى كيميائياً ارتفاع تكلفته. فبينما يُمكن تصنيع الزجاج المقسى بتكلفة منخفضة من خلال عملية التصنيع التقليدية، فإن الزجاج المقوى كيميائياً يتطلب مساراً أكثر تكلفة للوصول إلى السوق. هذه التكاليف تجعل المنتج باهظ الثمن للاستخدام في العديد من التطبيقات. ^{[ 11 ]}

استُخدم الزجاج المقوى كيميائياً في صناعة مظلة قمرة القيادة لبعض الطائرات المقاتلة .

• الزجاج المعماري
• سوبرفيست
• التبادل الأيوني
• زجاج سيراميكي