زجاج مقسّى

الزجاج المقسّى أو المعالج حرارياً هو نوع من زجاج الأمان يُصنّع بمعالجات حرارية أو كيميائية مضبوطة لزيادة قوته مقارنةً بالزجاج العادي. تُعرّض عملية التقسية الأسطح الخارجية للزجاج للضغط ، بينما تُعرّض الأسطح الداخلية للشد . تؤدي هذه الإجهادات إلى تفتت الزجاج، عند كسره، إلى قطع صغيرة حبيبية بدلاً من تفتته إلى شظايا كبيرة خشنة كما يحدث مع الزجاج العادي . هذه القطع الصغيرة الحبيبية أقل عرضةً للاختراق العميق عند ارتطامها بسطح جسم ما (بفعل الجاذبية، أو الرياح، أو السقوط عليه، إلخ) مقارنةً بالشظايا الكبيرة الخشنة، لأن انخفاض كل من كتلة وحجم شظية الزجاج يتناسب طردياً مع انخفاض كل من زخمها وعمق اختراقها.

يُستخدم الزجاج المقسى لسلامته وقوته في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك نوافذ سيارات الركاب (باستثناء الزجاج الأمامي)، وأبواب الاستحمام، وأحواض السمك، والأبواب والطاولات الزجاجية المعمارية، وصواني الثلاجة، وواقيات شاشة الهاتف المحمول، ومكونات الزجاج المضاد للرصاص ، وأقنعة الغوص ، والأطباق وأدوات الطبخ.

الزجاج المقسّى أقوى بأربع مرات تقريبًا من الزجاج العادي. ^{[ 1 ] [ 2 ]} يؤدي الانكماش الأسرع للطبقة الخارجية أثناء التصنيع إلى توليد إجهادات ضغط على سطح الزجاج، تتوازن مع إجهادات شدّ في جسم الزجاج. يجب أن يتمتع الزجاج المقسّى بالكامل بسماكة 6 مم إما بحد أدنى لضغط السطح يبلغ 69 ميجا باسكال (10000 رطل لكل بوصة مربعة) أو ضغط حافة لا يقل عن 67 ميجا باسكال (9700 رطل لكل بوصة مربعة). ^{[ 3 ]} لكي يُعتبر زجاجًا آمنًا ، يجب أن يتجاوز إجهاد ضغط السطح 100 ميجا باسكال (15000 رطل لكل بوصة مربعة) . نتيجةً لزيادة إجهاد السطح، ينكسر الزجاج عند كسره إلى قطع صغيرة مستديرة بدلًا من شظايا حادة خشنة. 

تُكسب إجهادات الضغط السطحية الزجاج المقسى قوةً متزايدة. أما الزجاج المُلدَّن، فيكاد يخلو من الإجهاد الداخلي، وعادةً ما تتشكل على سطحه شقوق مجهرية. يمكن للشد المُطبق على الزجاج أن يُحفز انتشار الشقوق، وبمجرد بدء انتشارها، يتركز الشد عند طرف الشق، مما يُسرّع من انتشاره. ونتيجةً لذلك، يكون الزجاج المُلدَّن هشًا ويتكسر إلى قطع غير منتظمة وحادة. ^{[ 4 ]} تحتوي إجهادات الضغط على سطح الزجاج المقسى على عيوب تمنع انتشارها أو تمددها.

يجب إجراء أي قطع أو تجليخ قبل عملية التقسية. فالقطع والتجليخ والصدمات الحادة بعد التقسية ستؤدي إلى كسر الزجاج.

يمكن ملاحظة نمط الإجهاد الناتج عن عملية التقسية من خلال النظر من خلال مستقطب بصري ، مثل زوج من النظارات الشمسية المستقطبة.

يُستخدم الزجاج المقسّى عندما تكون المتانة ومقاومة الحرارة والسلامة من الاعتبارات المهمة. فعلى سبيل المثال، تتطلب سيارات الركاب هذه المتطلبات الثلاثة جميعها. ونظرًا لتخزينها في الهواء الطلق، فإنها تتعرض باستمرار للتدفئة والتبريد، فضلًا عن تقلبات درجات الحرارة الكبيرة على مدار العام. علاوة على ذلك، يجب أن تتحمل الصدمات الخفيفة من مخلفات الطريق كالحجارة، بالإضافة إلى حوادث الطرق. ولأن شظايا الزجاج الكبيرة والحادة تُشكل خطرًا إضافيًا وغير مقبول على الركاب، يُستخدم الزجاج المقسّى بحيث تكون شظاياه، في حال انكسارها، غير حادة وغير ضارة في الغالب. أما الزجاج الأمامي ، فيُصنع من الزجاج الرقائقي الذي لا يتفتت إلى قطع عند كسره، بينما كانت النوافذ الجانبية والزجاج الخلفي تُصنع تاريخيًا من الزجاج المقسّى. وتحتوي بعض السيارات الفاخرة الحديثة على نوافذ جانبية رقائقية لتلبية متطلبات حماية الركاب، أو لأغراض مكافحة السرقة، أو لعزل الصوت.

تشمل التطبيقات النموذجية الأخرى للزجاج المقسى ما يلي:

• أبواب الشرفة
• المرافق الرياضية
• حمامات السباحة
• الواجهات
• أبواب الدش ومناطق الحمام
• مناطق العرض والشاشات
• أبراج الكمبيوتر أو صناديق الكمبيوتر (انظر:
  • حوسبة المتحمسين# صناديق الكمبيوتر و
  • تعديلات على الهيكل#تعديلات على نظام ويندوز ).
• واقيات شاشة الهاتف المحمول

يمكن تصنيع الزجاج المقسّى من الزجاج المُلدّن عبر عملية تقسية حرارية. يُوضع الزجاج على طاولة دوّارة، ثم يُمرّر عبر فرن يُسخّنه إلى درجة حرارة أعلى بكثير من درجة حرارة تحوّله الزجاجي البالغة 564 درجة مئوية (1047 درجة فهرنهايت)، ليصل إلى حوالي 620 درجة مئوية (1148 درجة فهرنهايت) . بعد ذلك، يُبرّد الزجاج بسرعة باستخدام تيارات هواء قسرية، بينما يبقى الجزء الداخلي منه حرّاً للتدفق لفترة وجيزة.    

تتضمن عملية تقوية الزجاج كيميائياً بديلة ضغط طبقة سطحية من الزجاج لا يقل  سمكها عن 0.1 مم عن طريق التبادل الأيوني لأيونات الصوديوم الموجودة على سطح الزجاج مع أيونات البوتاسيوم (الأكبر حجماً بنسبة 30%)، وذلك بغمر الزجاج في حمام من نترات البوتاسيوم المنصهرة . تؤدي عملية التقوية الكيميائية إلى زيادة المتانة مقارنةً بالتصليد الحراري، ويمكن تطبيقها على الأجسام الزجاجية ذات الأشكال المعقدة. ^{[ 9 ]}

يجب قص الزجاج المقسى إلى الحجم المطلوب أو ضغطه لتشكيله قبل عملية التقسية، ولا يمكن إعادة تشكيله بعد ذلك. يتم تلميع الحواف أو حفر ثقوب في الزجاج قبل بدء عملية التقسية. نظرًا لتوازن الإجهادات في الزجاج، فإن أي تلف في أي جزء منه سيؤدي في النهاية إلى تحطمه إلى قطع صغيرة بحجم ظفر الإبهام. يكون الزجاج أكثر عرضة للكسر عند تلف حوافه، حيث يكون إجهاد الشد في أقصى حالاته، ولكنه قد يتحطم أيضًا في حالة تعرضه لصدمة قوية في منتصف لوح الزجاج أو إذا كانت الصدمة مركزة (على سبيل المثال، عند ضرب الزجاج بأداة صلبة).

قد يشكل استخدام الزجاج المقسى خطراً أمنياً في بعض الحالات نظراً لميل الزجاج إلى التحطم تماماً عند الاصطدام القوي بدلاً من ترك شظايا في إطار النافذة. ^{[ 10 ]}

يُظهر سطح الزجاج المقسّى تموجات سطحية ناتجة عن ملامسته لأسطوانات التسوية، إذا تم تشكيله باستخدام هذه العملية. تُعدّ هذه التموجات مشكلة كبيرة في تصنيع الخلايا الشمسية الرقيقة. ^{[ 11 ]} يمكن استخدام عملية الزجاج المصقول لتوفير ألواح ذات تشوه منخفض وأسطح مستوية ومتوازية للغاية كبديل لتطبيقات التزجيج المختلفة. ^{[ 12 ]}

انكسار الزجاج التلقائي

يُعدّ الكسر التلقائي للزجاج ظاهرةً قد ينكسر فيها الزجاج المقسّى فجأةً دون سببٍ واضح. ومن أكثر الأسباب شيوعاً: ^{[ 13 ] [ 14 ]}

• عيوب داخلية في الزجاج، مثل شوائب كبريتيد النيكل . قد تتسبب هذه العيوب في كسر الزجاج المقسى تلقائيًا بعد سنوات من تصنيعه. ^{[ 15 ]} قد تتواجد شوائب كبريتيد النيكل ("الأحجار") داخل الزجاج. والسبب الأكثر شيوعًا لهذه الشوائب هو استخدام آلات الفولاذ المقاوم للصدأ في عملية تصنيع الزجاج ومعالجته. تتغير بنية رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ الصغيرة المحتوية على النيكل بمرور الوقت وتنمو، مما يُحدث إجهادات داخلية في الزجاج. عندما تتجاوز هذه الإجهادات قوة الزجاج، يحدث الكسر. يُلاحظ هذا النوع من الكسر دائمًا تقريبًا في الزجاج المقسى، ويُشار إليه بنمط مميز على شكل الرقم ثمانية، حيث يبلغ  قطر كل "حلقة" من الرقم ثمانية حوالي 30 مم. بدلاً من ذلك، قد تتآكل قطع صغيرة من الطوب الحراري بفعل الزجاج المنصهر من الجدران الداخلية للفرن أثناء المعالجة، وتستقر داخل الزجاج النهائي. تُعرف هذه أيضًا باسم "الأحجار"، ويمكنها أيضًا أن تكسر الزجاج عند تسخينه، لأنها تخلق شذوذًا حراريًا.
• قد تتطور الأضرار الطفيفة أثناء التركيب، مثل الخدوش أو الشقوق في الحواف، إلى كسور أكبر تتفرع عادةً من نقطة العيب. أثناء نقل الزجاج وتركيبه، يسهل على فنيي تركيب الزجاج خدش أو شقوق حواف الزجاج باستخدام أدوات مختلفة. كما يمكن أن تتسبب أدوات التثبيت، مثل المسامير أو البراغي المستخدمة لتثبيت حواجز الزجاج، في خدش حواف الزجاج إذا تم تركيبها بزاوية غير صحيحة. قد لا تؤدي هذه الخدوش أو الشقوق الصغيرة إلى كسر فوري. مع ذلك، بمرور الوقت، ومع تمدد الزجاج وانكماشه، قد تتراكم الضغوط حول الخدش، مما يؤدي إلى الكسر. في حالة الزجاج المقسى، عادةً ما تنكسر الوحدة بأكملها.
• يؤدي انحشار الزجاج في الإطار إلى إجهادات ناتجة عن تمدد الزجاج وانكماشه بسبب التغيرات الحرارية أو انحرافه بفعل الرياح. يتمدد الزجاج وينكمش مع تغيرات درجة الحرارة وينحرف بفعل الرياح، لذا تُثبّت معظم أنواع الزجاج الحديثة على قواعد مرنة في الأسفل مع ترك مساحة للتمدد في الجوانب والأعلى. كما أن الحشوات التي تثبت الزجاج في الإطار عادةً ما تكون مرنة لتخفيف تأثير الرياح عليه. في حال عدم وجود مساحة كافية حول الوحدة، سينحشر الزجاج في الإطار، مما يؤدي إلى إجهادات داخلية قد تتجاوز قدرة الزجاج على التحمل، وبالتالي كسره.
• الإجهادات الحرارية في الزجاج. يُعدّ الكسر الناتج عن الإجهاد الحراري أكثر شيوعًا في القطع الكبيرة من الزجاج العازل المغلق والمغطى بطبقات سميكة ماصة للحرارة (عاكسة). تُطبّق هذه الطبقة عادةً على السطح الداخلي للزجاج الخارجي. يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة الزجاج الخارجي أكثر من الزجاج الداخلي، حيث تحوّل الطبقة الحرارة الإشعاعية من الشمس إلى حرارة محسوسة. ومع تمدد الزجاج الخارجي نتيجة التسخين، ينحني الزجاج بأكمله إلى الخارج. إذا ربطت وصلة فاصلة أو أي وصلة أخرى بين لوحي الزجاج بشكل صلب للغاية، فقد تتولد إجهادات انحناء تتجاوز قوة الزجاج، مما يؤدي إلى كسره. كان هذا سببًا في حدوث كسور واسعة النطاق في زجاج برج جون هانكوك في بوسطن.
• عدم كفاية سُمك الزجاج لمقاومة أحمال الرياح. قد ينكسر لوح زجاجي كبير جدًا أو رقيق جدًا، لم يُصمم هندسيًا بشكل صحيح لمقاومة أحمال الرياح في الموقع، بفعل الرياح. انظر مبدأ برنولي للرياح.

تتفاقم أي مشكلة كسر في الزجاج عند تركيبه في أماكن مرتفعة أو في الأماكن العامة (مثل المباني الشاهقة). ويمكن تركيب غشاء أمان على ألواح الزجاج المقسى لحمايتها من السقوط. وكان من الإجراءات الوقائية التقليدية تركيب شبكات معدنية أسفل المناور.

يُنسب الفضل إلى فرانسوا بارتيليمي ألفريد روييه دي لا باستي (1830-1901) من باريس، فرنسا، في تطوير طريقة لتقسية الزجاج ^{[ 16 ]} عن طريق تبريد الزجاج شبه المنصهر في حمام ساخن من الزيت أو الشحم عام 1874، وهي الطريقة التي حصلت على براءة اختراع في إنجلترا في 12 أغسطس 1874، برقم براءة الاختراع 2783. يُعرف الزجاج المقسى أحيانًا باسم زجاج باستي نسبةً إلى دي لا باستي. في عام 1877، طوّر الألماني فريدريك سيمنز عملية مختلفة، تُسمى أحيانًا الزجاج المضغوط أو زجاج سيمنز، لإنتاج زجاج مقسى أقوى من عملية باستي عن طريق ضغط الزجاج في قوالب باردة. ^{[ 17 ]} حصل الكيميائي رودولف أ. سايدن، المولود عام 1900 في النمسا والذي هاجر إلى الولايات المتحدة عام 1935، على أول براءة اختراع لعملية كاملة لصنع الزجاج المقسى. ^{[ 18 ]}

على الرغم من أن الآلية الكامنة وراء ذلك لم تكن معروفة آنذاك، إلا أن آثار "تقسية" الزجاج معروفة منذ قرون. في حوالي عام 1660، لفت الأمير روبرت من الراين انتباه الملك تشارلز الثاني إلى اكتشاف ما يُعرف الآن باسم " قطرات الأمير روبرت " . وهي عبارة عن قطع زجاجية على شكل دمعة، تُنتج عن طريق إسقاط قطرة من الزجاج المنصهر في دلو من الماء، مما يؤدي إلى تبريدها بسرعة. يمكنها تحمل ضربة مطرقة على طرفها المنتفخ دون أن تنكسر، ولكنها تتفتت بشكل انفجاري إلى مسحوق إذا تعرض طرفها الخلفي لأدنى ضرر.

• الإجهاد الحراري
• زجاج البوروسيليكات
• زجاج النار
• سوبر جلاس
• زجاج منخفض الحديد
• زجاج ملون
• الزجاج الرصاصي
• الزجاج المضغوط
• سوبرفيست (زجاج مقوى كيميائياً يُعرف أيضاً باسم زجاج CV وسيفيريت)