Welche Aussage über das chemische Vorspannen (Verfestigung durch Ionenaustausch), das etwa für Deckgläser von Smartphones verwendet wird, trifft zu?

Lösung: A. Unterhalb des unteren Kühlpunkts wird Na⁺ in der Oberflächenschicht gegen das größere K⁺ ausgetauscht, sodass dort Druckspannungen entstehen

Beim chemischen Vorspannen taucht man ein Na⁺-haltiges Glas bei ca. 400 °C in eine KNO₃-Schmelze. Werden die Na⁺-Ionen der Oberflächenschicht gegen die größeren K⁺-Ionen ausgetauscht, sind gewissermaßen große Ionen in Plätze von der Größe der ursprünglichen Na⁺-Ionen gepresst; die Oberflächenschicht will sich ausdehnen, wird aber vom Inneren behindert, sodass in ihr große Druckspannungen von mehreren hundert MPa oder mehr entstehen. Diese Temperatur liegt unterhalb des unteren Kühlpunkts, bei dem das Netzwerk kaum noch fließt, sodass die Spannungen nicht relaxieren, sondern erhalten bleiben. Oberhalb des Erweichungspunkts würden sie durch viskoses Fließen abgebaut. Würde die Oberflächenschicht durch Austausch gegen das kleinere Li⁺ schrumpfen wollen, entstünden in ihr umgekehrt Zugspannungen. Thermisches Vorspannen ist bei dünnen Scheiben schwierig, weil sich in ihnen kaum ein Temperaturunterschied aufbauen lässt; chemisches Vorspannen ist dagegen auch bei Scheiben von 1 mm Dicke und darunter möglich.