CN104114503A - 具有高裂纹引发阈值的可离子交换玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了碱性铝硅酸盐玻璃，其防尖锐冲击导致的损坏，并且其能够进行快速离子交换。玻璃包含至少4摩尔％的P2O5，并且在离子交换后，具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。

Description

具有高裂纹引发阈值的可离子交换玻璃
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2011年11月16日提交的美国临时申请系列第61/560,434号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
本发明涉及防损坏玻璃。更具体地，本发明涉及任选地通过离子交换进行强化的防损坏玻璃。甚至更具体地，本发明涉及任选地通过离子交换进行强化的防损坏的含磷酸盐玻璃。
发明内容
提供了碱性铝硅酸盐玻璃，其在强化后是防尖锐冲击导致的损坏的，并且其能够进行快速离子交换。玻璃包含至少4摩尔％的P2O5，并且在离子交换后，具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。
因此，本发明的一个方面包括：包含至少约4％的P2O5的碱性铝硅酸盐玻璃，其中，该碱性铝硅酸盐玻璃在至少约10μm的层深度进行了离子交换，并且其中：
i.0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4；或者
ii.1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3；
其中M2O3＝Al2O3+B2O3，RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和，R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，玻璃满足0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。在一些实施方式中，玻璃满足0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。在一些实施方式中，玻璃满足1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3。在一些实施方式中，玻璃满足1.5<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.0。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。在一些实施方式中，玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，玻璃具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，玻璃具有至少约12kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。
本发明的另一个方面包括碱性铝硅酸盐玻璃，其包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约13-25摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约50-65摩尔％的SiO2；约14-20摩尔％的Al2O3；约4-10摩尔％的P2O5；以及约14-20摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。在一些实施方式中，玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，玻璃具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，玻璃具有至少约12kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。
本发明的另一个方面包括一种对碱性铝硅酸盐玻璃进行强化的方法，该方法包括提供包含至少约4％的P2O5的碱性铝硅酸盐玻璃，其中：
i.0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4；或者
ii.1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3；
其中M2O3＝Al2O3+B2O3，RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和，R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的二价阳离子氧化物的总和，以及将碱性铝硅酸盐玻璃浸入离子交换浴中一段高至约24小时的时间，以形成压缩层，该压缩层从碱性铝硅酸盐玻璃的表面延伸到至少约10μm的层深度。在一些实施方式中，玻璃满足0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。在一些实施方式中，玻璃满足0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。在一些实施方式中，玻璃满足1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3。在一些实施方式中，玻璃满足1.5<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.0。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，离子交换的玻璃具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，离子交换的玻璃具有至少约12kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。
本发明的另一个方面包括碱性铝硅酸盐玻璃，其包含至少约4摩尔％的P2O5，其中[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.2。在一些实施方式中，[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。
在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约13-25摩尔％的Na2O。在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约50-65摩尔％的SiO2；约14-20摩尔％的Al2O3；约4-10摩尔％的P2O5；以及约14-20摩尔％的Na2O。
在一些实施方式中，组合物还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，组合物还包含约0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，组合物还包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，组合物还包含约0摩尔％的B2O3。
实施方式可以是离子交换的。在一些实施方式中，玻璃在至少约10μm的层深度进行离子交换。在一些实施方式中，玻璃在至少约20μm的层深度进行离子交换。在其他实施方式中，玻璃在至少约40μm的层深度进行离子交换。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约500MPa的压缩应力下。在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约750MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在其他实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约15kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在其他实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约20kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
本发明的另一个方面是提供含有至少约4摩尔％的P2O5的碱性铝硅酸盐玻璃。碱性铝硅酸盐玻璃在至少约10μm的层深度进行离子交换，其中0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.2。在一些实施方式中，0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。在一些实施方式中，0.8<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。
在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约13-25摩尔％的Na2O。在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约50-65摩尔％的SiO2；约14-20摩尔％的Al2O3；约4-10摩尔％的P2O5；以及约14-20摩尔％的Na2O。
在一些实施方式中，组合物还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，组合物还包含约0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，组合物还包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，组合物还包含约0摩尔％的B2O3。
本发明的所述方面的实施方式可进行离子交换。在一些实施方式中，玻璃在至少约10μm的层深度进行离子交换。在一些实施方式中，玻璃在至少约20μm的层深度进行离子交换。在其他实施方式中，玻璃在至少约40μm的层深度进行离子交换。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约500MPa的压缩应力下。在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约750MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在其他实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约15kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在其他实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约20kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
本发明的另一个方面是提供一种对碱性铝硅酸盐玻璃进行强化的方法。所述方法包括：提供碱性铝硅酸盐玻璃，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含至少约4摩尔％的P2O5，其中：
i.0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4；或者
ii.1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3；
其中M2O3＝Al2O3+B2O3，RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和，R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的二价阳离子氧化物的总和，以及将碱性铝硅酸盐玻璃浸入离子交换浴中一段高至约24小时的时间，以形成压缩层，该压缩层从碱性铝硅酸盐玻璃的表面延伸到至少约10μm的层深度。在一些实施方式中，玻璃满足0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。在一些实施方式中，玻璃满足0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。在一些实施方式中，玻璃满足1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3。在一些实施方式中，玻璃满足1.5<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.0。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，离子交换的玻璃具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，离子交换的玻璃具有至少约12kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，压缩层从表面延伸到至少约70μm的层深度。
在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约500MPa的压缩应力下。在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约750MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约7kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在其他实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约15kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在其他实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约20kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
在一些实施方式中，用于该方法的碱性铝硅酸盐玻璃玻璃包含选自下组的单价和二价阳离子氧化物：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。
在一些实施方式中，用于该方法的碱性铝硅酸盐玻璃包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约13-25摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，用于该方法的碱性铝硅酸盐玻璃包含约50-65摩尔％的SiO2；约14-20摩尔％的Al2O3；约4-10摩尔％的P2O5；以及约14-20摩尔％的Na2O。
在一些实施方式中，用于该方法的组合物还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，用于该方法的组合物还包含约0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，用于该方法的组合物还包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，用于该方法的组合物还包含约0摩尔％的B2O3。
从以下详细描述、附图和所附权利要求书能明显地看出本发明的上述及其他方面、优点和显著特征。
附图简要说明
图1是通过离子交换强化的玻璃片的截面示意图；以及
图2是对于在700℃退火并且在410℃的熔融KNO3盐浴中进行离子交换的0.7mm厚的样品的层深度与压缩应力的函数关系图。
发明详述
揭示了材料、化合物、组合物以及组分，它们可用于所揭示的方法和组合物，可结合所揭示的方法和组合物使用，可用于制备所揭示的组合物，或者是所揭示的方法和组合物的实施方式。在本文中公开了这些和其他的材料，应理解当公开了这些材料的组合、子集、相互作用、组等等而未明确地具体揭示这些化合物的每个不同的单独和共同组合以及排列时，在本文中具体设想和描述了它们中的每一种情况。
因此，如果公开了一类取代物A、B、和C并且还公开了一类取代物D、E、和F和组合的实施方式A-D的实例，则可单独地和共同地设想每一个。因此，在本例中，具体设想了以下组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F中的每一个，应认为以上这些都是从A、B和/或C；D、E和/或F；以及实例组合A-D的内容揭示的。同样，也具体设想并揭示了上述的任何子集或这些子集的组合。因此，例如，具体设想了A-E、B-F和C-E的亚组，并应认为它们是从A、B和/或C；D、E和/或F；以及实例组合A-D的内容揭示的。这种概念应用于本内容的所有方面，包括但不限于组合物的任何组分以及所揭示组合物的制备方法和使用方法中的各步骤。因此，如果存在可进行的多个附加步骤，应当理解可通过所公开方法的任一特定实施方式或实施方式的组合来进行这些附加步骤中的每一个，而且可具体设想每一个这样的组合且应当认为它是公开的。
此外，每当将一个组描述为包含一组要素中的至少一个要素和它们的组合时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式包含任何数量的这些所列要素，或者主要由它们组成，或者由它们组成。类似地，每当将一个组描述为由一组要素中的至少一个要素或它们的组合组成时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式由任何数量的这些所列要素组成。
除非在具体情况下另外指出，本文所列出的数值范围包括上限和下限值，且旨在包括范围的端点，该范围之内的所有整数和分数。本发明的范围并不限于定义范围时所列举的具体值。此外，当以范围、一种或更多种优选范围、或者优选的数值上限以及优选的数值下限的形式表述某个量、浓度或其它值或参数的时候,应当理解相当于具体揭示了通过将任意一对范围上限或优选数值与任意范围下限或优选数值结合起来的任何范围，而不考虑这种成对结合是否具体揭示。最后，当使用术语“约”来描述范围的值或端点时，应理解本发明包括所参考的具体值或者端点。
如本文所使用，术语“约”指数量、尺寸、公式、参数和其它数量和特征不是精确的或无需精确的，但可以按照要求是接近的和/或更大或者更小，如反射公差、转化因子、四舍五入、测量误差等等，以及本领域技术人员所知的其它因子。一般的，不管是否明确说明，数量、尺寸、公式、参数或其它数量或特征都是“约”或“接近”。
如本文所使用，术语“或”是包括端值的；具体来说，相“A或B”指“A，B，或者同时包括A和B”。本文中，排他性的“或”通过术语如“要么A要么B”和“A或B之一”来指定。
使用不定冠词“一个”或“一种”对本发明的实施方式的元件和部件进行描述。使用这些冠词时指存在一种或至少一种这些元件或组件。尽管这些冠词通常用于预示修饰的名词是单数名词，但除非另有说明，本文所用的冠词“一个”或“一种”也包括复数。类似的，同样除非另有说明，如本文所使用，定冠词“该”也预示修饰的名词可以是单数或复数。
出于描述本发明的实施方式的目的，应注意的是，本文涉及的一个变量是一个参数或另一变量的“函数”并不旨在表示该变量仅仅是所列出的参数或变量的函数。相反，本文涉及的一个变量是所列出的参数的“函数”是开放式的，从而该变量可以是单个参数或者多个参数的函数。还应理解，除非另外说明，否则，术语如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等是方便用语，不应视为限制性用语。
应当指出，本文所用的诸如“优选”、“常用”和“通常”之类的词语不是用来限制本发明的范围，也不表示某些特征对本发明所述实施方式的结构或者功能来说是重要的、关键的、或者甚至是必不可少的。相反地，这些术语仅仅用来表示本发明实施方式的特定方面，或者强调可以或者不可以用于本发明特定实施方式的替代的或附加的特征。
出于描述和限定本发明的实施方式的目的，应当指出，词语“基本上”和“约”在本文中用来表示可归属于任何定量比较、数值、测量或其他表达的固有不确定程度。词语“基本上”和“约”在本文中还用来表示数量的表达值与所述的参比值的偏离程度，这种偏离不会导致所讨论的主题的基本功能发生改变。
应注意，权利要求书中的一项或多项权利要求使用术语“其特征在于”作为过渡语。出于限定本发明的实施方式目的，应当指出，在权利要求中用该术语作为开放式过渡短语来引出对一系列结构特征的描述，应当对其作出与更常用的开放式引导语“包括”类似的解释。
作为生产玻璃组合物的原材料和/或设备的结果，会在最终的玻璃组合物中存在某些不是故意添加的杂质或组分。此类物质在玻璃组合物中以微量存在，在本文中称作“混入物”。
如本文所使用，玻璃组合物包括0重量％或0摩尔％的化合物合物定义为没有故意将该化合物、分子或元素添加到该组合物中，但该组合物可能仍然包括该化合物，通常是以不确定的数量或痕量的方式。类似的，“不含钠”、“不含碱金属”、“不含钾”等定义为没有故意将该化合物、分子或元素添加到该组合物中，但该组合物可能仍然包括钠、碱金属或钾，但是是以接近不确定的数量或痕量的方式。除非另有说明，否则本文所引用的所有组分的浓度是以摩尔百分比(摩尔％)表示。
通过如下方式来进行本文所述的维氏压痕裂纹阈值测量：向玻璃表面施加压痕负荷，然后以0.2mm/分钟的速率移除该压痕负荷。最大压痕负荷保持10秒。压痕裂纹阈值定义为10次压痕中的50％显示出任意数量的径向/中间裂纹从凹痕印记角落延伸出来的压痕负荷。对于给定的玻璃组合物，增加最大负荷直至达到阈值负荷。所有的压痕测量都是在50％相对湿度和室温下进行。
从总体上参见附图，并具体参见图1，应理解举例说明是为了描述本发明的具体实施方式的，这些举例说明不是用来限制本发明的说明书或所附权利要求书的。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，所示的附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意性方式显示。
具有高防损坏性(即，维氏开裂阈值大于15千克力(kgf))，并且，在一些实施方式中，大于20kgf的化学强化的碱性铝硅酸盐玻璃通常具有如下组成，其满足以下规则：[(Al2O3(摩尔％)+B2O3(摩尔％))/(∑改性剂氧化物(摩尔％))]>1，其中改性剂氧化物包括碱性氧化物和碱土氧化物。在2010年8月18日提交的Kristen L.Barefoot等人的题为“Crack and Scratch Resistant Glass andEnclosures Made Therefrom(抗裂和耐刮擦玻璃以及由其制造的外壳)”的美国专利申请第12/858,490号中已经描述过此类玻璃。
在2010年11月30日提交的Dana Craig Bookbinder等人的题为“IonExchangeable Glass with Deep Compressive Layer and High Modulus(具有深压缩层和高模量的可离子交换玻璃)”的美国临时专利申请第61/417,941号中已经描述过含P2O5的碱性铝硅酸盐玻璃的增强的防损坏性。本文所述的玻璃含有与Al2O3和B2O3分批配料(batched with)的磷酸盐，以分别形成AlPO4和BPO4，并遵循如下组成规则：
0.75≤[(P2O5(摩尔％)+R2O(摩尔％))/M2O3(摩尔％)]≤1.3，
其中M2O3＝Al2O3+B2O3。
本文所述的实施方式包括含P2O5的碱性铝硅酸盐玻璃以及由其制造的制品，在通过离子交换化学强化后，它们实现至少约7kgf、8kgf、9kgf、10kgf、11kgf、12kgf、13kgf、14kgf、15kgf、16kgf、17kgf、18kgf、19kgf，以及在一些实施方式中，至少约20kgf的维氏开裂阈值。通过加入至少约4摩尔％的P2O5，增强了这些玻璃和玻璃制品的防损坏性。在一些实施方式中，通过加入至少约5摩尔％的P2O5增强了防损坏性。在一些实施方式中，P2O5的浓度范围约为4摩尔％至最高至约10摩尔％，在其他实施方式中，约为4摩尔％至最高至约15摩尔％。
本文所述的实施方式通常落在美国临时专利申请第61/417,941号所述的组合物空间的玻璃和玻璃制品的范围之外。此外，本文所述的玻璃标称主要包含四面体配位的磷酸盐(PO4 3-)基团，其每个四面体磷结构单元含有一个双键氧。
在一些实施方式中，M2O3与∑RxO的比例为玻璃提供了有益的熔融温度、粘度和/或液相线温度。一些实施方式可描述成如下比例：(M2O3(摩尔％)/∑RxO(摩尔％))<1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3，并且∑RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，本文所述的玻璃和玻璃制品包含大于4摩尔％的P2O5，其中(M2O3(摩尔％)/∑RxO(摩尔％))的比例小于1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3，并且其中∑RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，(M2O3(摩尔％)/∑RxO(摩尔％))的比例小于1.0。在一些实施方式中，(M2O3(摩尔％)/∑RxO(摩尔％))的比例小于1.4、1.35、1.3、1.25、1.2、1.15、1.1、1.05、1.0、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75或者0.7。在一些实施方式中，0.6<(M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％))<1.4。在一些实施方式中，0.6<(M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％))<1.2。在一些实施方式中，0.6<(M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％))<1。在一些实施方式中，0.8<(M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％))<1.4。在一些实施方式中，0.8<(M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％))<1.2。在一些实施方式中，0.8<(M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％))<1.0。在一些实施方式中，Y<(M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％))<Z，其中Y约为0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0、1.05、or1.1，X独立地约为1.4、1.35、1.3、1.25、1.2、1.15、1.1、1.05、1.0、0.95、0.9、0.85、0.8，并且其中X>Y。此类单价和二价氧化物包括但不限于，碱金属氧化物(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O)，碱土氧化物(MgO、CaO、SrO、BaO)以及过渡金属氧化物(例如但不限于ZnO)。
在一些实施方式中，本文所述的玻璃满足如下不等式：
[(Al2O3(摩尔％)+B2O3(摩尔％))/(∑改性剂氧化物(摩尔％))]<1.0。
在一些实施方式中，玻璃可以具有足够的P2O5，以实现如下玻璃结构，其中使得P2O5存在于结构中，而不是MPO4，或者作为MPO4的补充。在一些实施方式中，此类结构可描述成如下比例：[(P2O5(摩尔％)+R2O(摩尔％))/M2O3(摩尔％)]>1.24，其中M2O3＝Al2O3+B2O3，P2O5大于或等于4摩尔％，并且其中R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，本文所述的玻璃和玻璃制品包含大于4摩尔％的P2O5，其中[(P2O5(摩尔％)+R2O(摩尔％))/M2O3(摩尔％)]的比例大于1.24，其中M2O3＝Al2O3+B2O3，并且其中R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，[(P2O5(摩尔％)+R2O(摩尔％))/M2O3(摩尔％)]的比例大于1.3。在一些实施方式中，比例如下：1.24≤[(P2O5(摩尔％)+R2O(摩尔％))/M2O3(摩尔％)]≤2.8。在一些实施方式中，本文所述的玻璃和玻璃制品包含大于4摩尔％的P2O5，并且通过如下比例进行描述：
S≤[(P2O5(摩尔％)+R2O(摩尔％))/M2O3(摩尔％)]≤V
其中S独立地约为1.5、1.45、1.4、1.35、1.3、1.25、1.24、1.2或者1.15，V独立地约为2.0、2.05、2.1、2.15、2.2、2.25、2.3、2.35、2.4、2.45、2.5、2.55、2.6、2.65、2.7、2.75或者2.8。
本文所述的碱性铝硅酸盐玻璃和制品包含许多化学组分。SiO2，涉及玻璃成形的一种氧化物，其起了使玻璃的网络结构稳定化的作用。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约40-70摩尔％的SiO2。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约50-70摩尔％的SiO2。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约55-65摩尔％的SiO2。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约40-70摩尔％、约40-65摩尔％、约40-60摩尔％、约40-55摩尔％、约40-50摩尔％、约40-45摩尔％、50-70摩尔％、约50-65摩尔％、约50-60摩尔％、约50-55摩尔％、约55-70摩尔％、约60-70摩尔％、约65-70摩尔％、约55-65摩尔％或者约55-60摩尔％的SiO2。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69或者70摩尔％的SiO2。
可以提供Al2O3以具有其他益处：a)维持最低可能的液相线温度，b)降低膨胀系数，或者c)增强应变点。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约11-25摩尔％的Al2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约14-20摩尔％的Al2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约11-25摩尔％、约11-20摩尔％、约11-18摩尔％、约11-15摩尔％、约12-25摩尔％、约12-20摩尔％、12-18摩尔％、约12-15摩尔％、约14-25摩尔％、约14-20摩尔％、约14-18摩尔％、约14-15摩尔％、约18-25摩尔％、约18-20摩尔％或者约20-25摩尔％的Al2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24或者25摩尔％的Al2O3。
在实施方式中存在B2O3可改进防损坏性，但是对于压缩应力和扩散性也是有害的。本文所述的玻璃通常不含，或者不含B2O3。在一些实施方式中，可能存在约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3或者4摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，可能存在小于4、3、2或者1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，可能存在不确定量的B2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约0摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，B2O3的量是小于或等于0.5摩尔％，小于或等于0.25摩尔％，小于或等于0.1摩尔％，小于或等于约0.05摩尔％，小于或等于0.001摩尔％，小于或等于0.0005摩尔％，或者小于或等于0.0001摩尔％。根据一些实施方式，玻璃组合物不含故意加入的B2O3。
已经发现以P2O5将磷加入到玻璃改善了防损坏性并且不会阻碍离子交换。在一些实施方式中，将磷加入到玻璃中产生了这样一种结构，其中，二氧化硅(玻璃中的SiO2)被磷酸铝(AlPO4)和/或磷酸硼(BPO4)替代，所述磷酸铝(AlPO4)是由四面体配位的铝和磷构成的，所述磷酸硼(BPO4)是由四面体配位的硼和磷构成的。本文所述的玻璃通常含有大于4摩尔％的P2O5。在一些实施方式中，玻璃可包含约4-15摩尔％的P2O5。在一些实施方式中，玻璃可包含约4-12摩尔％的P2O5。在一些实施方式中，玻璃可包含约4-10摩尔％的P2O5。在一些实施方式中，玻璃可包含约6-10摩尔％的P2O5。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约4-15摩尔％、约6-15摩尔％、约8-15摩尔％、约10-15摩尔％、约12-15摩尔％、约4-12摩尔％、4-10摩尔％、约4-8摩尔％、约4-6摩尔％、约6-12摩尔％、约6-10摩尔％、约6-8摩尔％、约8-12摩尔％、约8-10摩尔％，约10-12摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或者15摩尔％的P2O5。
Na2O可用于具体玻璃的离子交换。在一些实施方式中，玻璃可包含约13-25摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，玻璃可包含约13-20摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约13-25摩尔％，约13-20摩尔％，约13-18摩尔％，约13-15摩尔％，约15-25摩尔％，约15-20摩尔％，约15-18摩尔％，约18-25摩尔％，约18-20摩尔％或者约20-25摩尔％。在一些实施方式中，玻璃可包含约13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24或者25摩尔％的Na2O。
RxO通常描述为碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物。存在的RxO可为玻璃的离子交换提供益处。此类单价和二价氧化物包括但不限于，碱金属氧化物(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O)，碱土氧化物(MgO、CaO、SrO、BaO)以及过渡金属氧化物(例如但不限于ZnO)。在一些实施方式中，组合物中的RxO的量描述为下式：(M2O3(摩尔％)/∑RxO(摩尔％))<1.4。在一些实施方式中，组合物中的RxO的量描述为下式：(M2O3(摩尔％)/∑RxO(摩尔％))<1.0。在一些实施方式中，组合物中的RxO的量描述为下式：0.6<(M2O3(摩尔％)/∑RxO(摩尔％))<1.4。在一些实施方式中，组合物中的RxO的量描述为下式：0.6<(M2O3(摩尔％)/∑RxO(摩尔％))<1.0。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约7-30摩尔％的Al2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约14-25摩尔％的Al2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约7-30摩尔％，约7-25摩尔％，约7-22摩尔％，约7-20摩尔％，约7-18摩尔％，约7-15摩尔％，约7-10摩尔％，约10-30摩尔％，约10-25摩尔％，约10-22摩尔％，约10-18摩尔％，约10-15摩尔％，约15-30摩尔％，约15-25摩尔％，约15-22摩尔％，约15-18摩尔％，约18-30摩尔％，约18-25摩尔％，约18-22摩尔％，约18-20摩尔％，约20-30摩尔％，约20-25摩尔％，约20-22摩尔％，约22-30摩尔％，约22-25摩尔％,或者约25-30摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21,22、23、24、25、26、27、28、29或者30摩尔％的RxO。
M2O3描述了组合物中Al2O3和B2O3的量。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约11-30摩尔％的M2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约14-20摩尔％的M2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约11-30摩尔％、约11-25摩尔％、约11-20摩尔％、约11-18摩尔％、约11-15摩尔％、约12-30摩尔％、约12-25摩尔％、约12-20摩尔％、约12-18摩尔％、约12-15摩尔％、约14-30摩尔％、约14-25摩尔％、约14-20摩尔％、约14-18摩尔％、约14-15摩尔％、约18-25摩尔％、约18-20摩尔％或者约20-25摩尔％的M2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含约11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或者30摩尔％的M2O3。
一些实施方式中的K2O可用于离子交换，但是对压缩应力会是有害的。在一些实施方式中，玻璃组合物不含K2O。玻璃组合物基本不含K2O，例如当K2O的含量小于或等于0.5摩尔百分比，小于或等于0.25摩尔％，小于或等于0.1摩尔％，小于或等于约0.05摩尔％，小于或等于0.001摩尔％，小于或等于0.0005摩尔％或者小于或等于0.0001摩尔％。根据一些实施方式，玻璃片不含故意加入的钠。在一些实施方式中，玻璃可包含约0-1摩尔％的K2O。在其他实施方式中，玻璃可包含大于0至约1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，玻璃组合物可包含0至约2摩尔％，0至约1.5摩尔％，0至约1摩尔％，0至约0.9摩尔％，0至约0.8摩尔％，0至约0.7摩尔％，0至约0.6摩尔％，0至约0.5摩尔％，0至约0.4摩尔％，0至约0.3摩尔％，0至约0.2摩尔％或者0至约0.1摩尔％。在一些实施方式中，玻璃可包含约0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或者1摩尔％的K2O。
可以向玻璃组合物中结合额外的组分以提供额外的益处。例如，额外的组分可以作为澄清剂(例如，用来促进从用于生产玻璃的熔融批料除去气态夹杂物)和/或其他目的加入。在一些实施方式中，玻璃可包含用作紫外辐射吸收剂的一种或多种化合物。在一些实施方式中，玻璃可包含小于或等于3摩尔％的TiO2、MnO、ZnO、Nb2O5、MoO3、Ta2O5、WO3、ZrO2、Y2O3、La2O3、HfO2、CdO、SnO2、Fe2O3、CeO2、As2O3、Sb2O3、Cl、Br或其组合。在一些实施方式中，玻璃可包含0至约3摩尔％，0至约2摩尔％，0至约1摩尔％，0-0.5摩尔％，0-0.1摩尔％，0-0.05摩尔％或者0-0.01摩尔％的TiO2、MnO、ZnO、Nb2O5、MoO3、Ta2O5、WO3、ZrO2、Y2O3、La2O3、HfO2、CdO、SnO2、Fe2O3、CeO2、As2O3、Sb2O3、Cl、Br或其组合。在一些实施方式中，玻璃可包含0至约3摩尔％，0至约2摩尔％，0至约1摩尔％，0至约0.5摩尔％，0至约0.1摩尔％，0至约0.05摩尔％或者0至约0.01摩尔％的TiO2、CeO2或者Fe2O3或其组合。
根据一些实施方式，玻璃组合物(例如任意上文所述的玻璃)可以包含F、Cl或Br，例如，玻璃包含Cl和/或Br作为澄清剂的情况。
根据一些实施方式，玻璃组合物可包含BaO。在某些实施方式中，玻璃可包含小于约5、小于约4、小于约3、小于约2、小于约1、小于约0.5或者小于约0.1摩尔％的BaO。
在一些实施方式中，玻璃可基本不含Sb2O3、As2O3或其组合。例如，玻璃可包含小于或等于0.05摩尔％的Sb2O3或者As2O3或其组合，玻璃可包含0摩尔％的Sb2O3或者As2O3或其组合，或者玻璃可以，例如不含任意故意加入的Sb2O3、As2O3或其组合。
根据一些实施方式，玻璃还可以包含在商业制备的玻璃中通常出现的污染物。作为附加或者替代，可以加入各种其它的氧化物(例如TiO2、MnO、ZnO、Nb2O5、MoO3、Ta2O5、WO3、ZrO2、Y2O3、La2O3以及P2O5等)，尽管对其它的玻璃组分进行了调整，但是不会使得玻璃组合物的熔融特性或者成形特性变差。根据一些实施方式，在玻璃还包含此类其他氧化物的情况下，此类其他氧化物分别通常以不超过约3摩尔％、约2摩尔％或者约1摩尔％的量存在，并且它们的总浓度通常小于或等于约5摩尔％、约4摩尔％、约3摩尔％、约2摩尔％或者约1摩尔％。在一些情况下，可以使用更高的量，只要用量不使得组合物落在上文所述的范围之外即可。根据一些实施方式，所述玻璃还包含与批料相关的污染物和/或由生产玻璃所用的熔融、澄清和/或成形设备引入的污染物(如ZrO2)。
在一些实施方式中，本文所述的碱性铝硅酸盐玻璃和制品包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约11-25摩尔％的Na2O。
在一些实施方式中，玻璃组合物具有高防损坏性。在一些实施方式中，玻璃组合物具有大于7千克力(kgf)的维氏开裂阈值。在一些实施方式中，玻璃组合物具有大于12kgf的维氏开裂阈值。在一些实施方式中，玻璃组合物具有大于15kgf的维氏开裂阈值。在一些实施方式中，玻璃组合物具有大于20kgf的维氏开裂阈值。在一些实施方式中，玻璃组合物具有大于6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24或25kgf的维氏开裂阈值。
具体玻璃(其中玻璃厚度为0.7mm)的非限制性例子见表1所示。
表1：玻璃组成和性质
具体玻璃(其中玻璃厚度为1.0mm)的非限制性例子见表2所示(对于离子交换数据，如果没有提供SOC，则默认使用的是3.0，采用1.0mm厚的离子交换的部分)。
表2：玻璃组成和性质
离子交换被广泛地用于对消费者电子产品、汽车应用、电器、建筑构件以及其他需要高水平的防损坏性的领域中使用的玻璃制品进行化学强化。在离子交换过程中，将含第一金属离子(例如，Li2O、Na2O等中的碱金属阳离子)的玻璃制品至少部分浸泡在含第二金属离子的离子交换浴或介质中，或者以任意其他方式与其接触，所述第二金属离子大于或小于存在于玻璃中的第一金属离子。第一金属离子从玻璃表面扩散进入离子交换浴/介质，而来自离子交换浴/介质的第二金属离子在玻璃表面下方的层深度内代替了玻璃中的第一金属离子。较大离子取代玻璃中的较小离子在玻璃表面处产生压缩应力，而较小离子取代玻璃中的较大离子通常在玻璃表面处产生拉伸应力。在一些实施方式中，第一金属离子和第二金属离子是单价碱金属离子。但是，其他单价金属离子例如Ag+、Tl+、Cu+等也可用于离子交换过程。在Ag+和Cu+中的至少一种交换了玻璃中的金属离子的情况下，此类玻璃可特别适用于抗病毒和/或抗微生物应用。
如图1示意性所示是通过离子交换强化的一部分玻璃片(即，玻璃片的端部未示出)的截面图。在图1所示的非限制性例子中，强化的玻璃片100的厚度为t，具有基本相互平行的第一表面110和第二表面120，以及中心部分130。压缩层120、122分别从第一表面110和第二表面112延伸到各表面下方的层深度d1、d2。压缩层120、122处于压缩应力下，而中心部分130处于拉伸应力下，或者处于拉伸状态。中心部分130中的拉伸应力平衡了压缩层120、122中的压缩应力，因此维持了强化玻璃板100中的平衡。在一些实施方式中，可以对本文所述的玻璃和玻璃制品进行离子交换，以实现至少约300MPa的压缩应力和/或至少约10μm的压缩层深度。在一些实施方式中，可以对本文所述的玻璃和玻璃制品进行离子交换，以实现至少约500MPa的压缩应力和/或至少约40μm的压缩层深度。在一些实施方式中，对玻璃进行离子交换以实现至少约200、300、400、500、600、700、800、900或1000MPa的压缩应力。在一些实施方式中，对玻璃进行离子交换以实现至少约10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm或者110μm或更大的层深度。
除了高的防损坏性，可对本文所述的玻璃进行离子交换，以在较短时间内实现所需水平的压缩应力和压缩深度。例如，在410℃下，在熔融KNO3盐中离子交换4小时之后，可以在这些玻璃中实现压缩应力大于约700MPa的压缩层，和大于约75μm的压缩层深度。在一些实施方式中，可以在约400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃或者550℃或更高下完成离子交换。在一些实施方式中，离子交换进行约0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或者超过10小时。
图2是表1中的样品a-f的层深度与压缩应力的函数关系图。0.7mm厚的样品在700℃退火，并在410℃的熔融KNO3盐浴中进行离子交换，持续时间为1小时至最高至8小时(图2中的组“b-d”)或者在470℃下进行6分钟(图2中的组“a”)。在470℃下进行6分钟的离子交换的样品展现出远低于易碎性限值(即，玻璃样品应该或者可能展现出易碎性行为的点，如图2中线1所示)的压缩应力和层深度。在410℃下，0.7mm厚的样品实现易碎性限值所需的离子交换时间略大于1小时。在具有较高假想温度以及对应约1011泊的粘度的样品(即，未退火，刚下拉样品)中，易碎性限值也在类似的短时间内符合易碎性限值，但是压缩应力会较低并且层深度会大于退火的样品。进行1小时离子交换的样品(组“b”)展现出略低于易碎性限值的压缩应力和层深度，进行4或8小时离子交换的样品(分别为组“c”和“d”)展现出超过易碎性限值的压缩应力和层深度。
对本文所述的玻璃进行离子交换的能力可至少部分归因于如下事实：这些玻璃的钾和钠的互扩散系数明显地高于用于防损坏性(通过玻璃的维氏裂纹开裂阈值表征)是有利特性的应用中的其他碱性铝硅酸盐玻璃的钾和钠的互扩散系数。在410℃，本文所述的玻璃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s、3.0x10-10cm2/s、4.0x10-10cm2/s、4.5x10-10cm2/s、6.0x10-10cm2/s、7.5x10-10cm2/s、9.0x10-10cm2/s、1.0x10-9cm2/s、1.2x10-9cm2/s、1.5x10-9cm2/s，在一些实施方式中，约为2.4x10-10cm2/s、3.0x10-10cm2/s、4.0x10-10cm2/s或者4.5x10-10cm2/s至最高约7.5x10-10cm2/s、9.0x10-10cm2/s、1.0x10-9cm2/s、1.2x10-9cm2/s或者1.5x10-9cm2/s。不同于这些玻璃，美国专利申请第12/858,490号、第12/856,840号和第12/392,577号中所述的碱性铝硅酸盐玻璃的钾/钠互扩散系数小于1.5x10-10cm2/s。
本发明的一个实施方式包括碱性铝硅酸盐玻璃，其包含至少约4摩尔％的P2O5，其中[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
本发明的一个实施方式包括碱性铝硅酸盐玻璃，其包含0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，0.8<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。在一些实施方式中，0.8≤[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]≤1.0。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
本发明的另一个实施方式包括碱性铝硅酸盐玻璃，其包含至少约4％的P2O5，其中，所述碱性铝硅酸盐玻璃在至少约20μm的层深度进行离子交换，其中0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.0。在一些实施方式中，0.8<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。在一些实施方式中，0.8≤[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]≤1.0。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
本发明的另一个实施方式包括碱性铝硅酸盐玻璃，其包含至少约4摩尔％的P2O5，其中1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。在一些实施方式中，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约13-25摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约50-65摩尔％的SiO2；约14-20摩尔％的Al2O3；约4-10摩尔％的P2O5；以及约14-20摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。
在一些实施方式中，上文所述的碱性铝硅酸盐玻璃在至少约20μm的层深度进行离子交换。在一些实施方式中，玻璃在至少约40μm的层深度进行离子交换。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少500MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，压缩应力至少为750MPa。在一些实施方式中，压缩应力层约为500-2000MPa。在一些实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约8kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约12kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。
本发明的一个实施方式包括对碱性铝硅酸盐玻璃进行强化的方法，所述方法包括：提供如上所述的碱性铝硅酸盐玻璃，并将碱性铝硅酸盐玻璃浸入离子交换浴中，持续一段最高至约24小时的时间，以形成从碱性铝硅酸盐玻璃的表面延伸到至少约20μm的层深度的压缩层。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含至少约4摩尔％的P2O5，其中[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，0.8<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。在一些实施方式中，0.8≤[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]≤1.0。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含至少约4摩尔％的P2O5，其中1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3，其中M2O3＝Al2O3+B2O3并且R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约13-25摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含约50-65摩尔％的SiO2；约14-20摩尔％的Al2O3；约4-10摩尔％的P2O5；以及约14-20摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃还包含少于1摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的K2O。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含少于1摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。
在一些实施方式中，上文所述的碱性铝硅酸盐玻璃在至少约20μm的层深度进行离子交换。在一些实施方式中，玻璃在至少约40μm的层深度进行离子交换。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少500MPa的压缩应力下。在一些实施方式中，压缩应力至少为750MPa。在一些实施方式中，压缩应力层约为500-2000MPa。在一些实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约8kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。在一些实施方式中，离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃具有至少约12kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。
虽然为了说明给出了典型的实施方式，但是前面的描述不应被认为是对本说明书或所附权利要求书的范围的限制。因此，在不偏离本说明书或者所附权利要求书的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可想到各种改进、修改和替换形式。

Claims (55)

1.一种包含至少约4％的P2O5的碱性铝硅酸盐玻璃，其中：
i.[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4：或者
ii.1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3；
其中M2O3＝Al2O3+B2O3，RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和，R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的二价阳离子氧化物的总和。
2.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。
3.如权利要求2所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。
4.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3。
5.如权利要求4所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
1.5<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.0。
6.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，所述碱性铝硅酸盐玻璃还包含小于1摩尔％的K2O。
7.如权利要求6所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的K2O。
8.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，所述碱性铝硅酸盐玻璃还包含小于1摩尔％的B2O3。
9.如权利要求8所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的B2O3。
10.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃在至少约10μm的层深度进行离子交换。
11.如权利要求10所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃在至少约30μm的层深度进行离子交换。
12.如权利要求10所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。
13.如权利要求12所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述压缩应力至少约为500MPa。
14.如权利要求10所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，经过离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃的维氏压痕裂纹开裂负荷至少约为7kgf。
15.如权利要求14所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，经过离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃的维氏压痕裂纹开裂负荷至少约为12kgf。
16.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。
17.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约13-25摩尔％的Na2O。
18.如权利要求17所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含约50-65摩尔％的SiO2；约14-20摩尔％的Al2O3；约4-10摩尔％的P2O5；以及约14-20摩尔％的Na2O。
19.如权利要求17所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃还包含小于1摩尔％的K2O。
20.如权利要求19所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的K2O。
21.如权利要求17所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃还包含小于1摩尔％的B2O3。
22.如权利要求19所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含0摩尔％的B2O3。
23.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。
24.如权利要求23所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
25.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。
26.一种包含至少约4％的P2O5的碱性铝硅酸盐玻璃，其中，该碱性铝硅酸盐玻璃在至少约10μm的层深度进行了离子交换，并且其中：
i.0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4；或者
ii.1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3；
其中M2O3＝Al2O3+B2O3，RxO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和，R2O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的二价阳离子氧化物的总和。
27.如权利要求26所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。
28.如权利要求27所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。
29.如权利要求26所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3。
30.如权利要求29所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃满足：
1.5<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.0。
31.如权利要求26所述的碱性铝硅酸盐玻璃，所述碱性铝硅酸盐玻璃还包含小于1摩尔％的K2O。
32.如权利要求26所述的碱性铝硅酸盐玻璃，所述碱性铝硅酸盐玻璃还包含小于1摩尔％的B2O3。
33.如权利要求26所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃在410℃的钾/钠互扩散系数至少约为2.4x10-10cm2/s。
34.如权利要求33所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
35.如权利要求26所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，该玻璃具有从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。
36.如权利要求26所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，经过离子交换的玻璃的维氏压痕裂纹开裂负荷至少约为7kgf。
37.如权利要求36所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，经过离子交换的玻璃的维氏压痕裂纹开裂负荷至少约为12kgf。
38.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。
39.如权利要求1所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含约40-70摩尔％的SiO2；约11-25摩尔％的Al2O3；约4-15摩尔％的P2O5；以及约13-25摩尔％的Na2O。
40.如权利要求14所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含约50-65摩尔％的SiO2；约14-20摩尔％的Al2O3；约4-10摩尔％的P2O5；以及约14-20摩尔％的Na2O。
41.如权利要求14所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃还包含小于1摩尔％的K2O。
42.如权利要求14所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃还包含小于1摩尔％的B2O3。
43.如权利要求14所述的碱性铝硅酸盐玻璃，其特征在于，在410℃的钾/钠互扩散系数约为2.4x10-10cm2/s至最高至约1.5x10-9cm2/s。
44.一种对碱性铝硅酸盐玻璃进行强化的方法，该方法包括：
a.提供权利要求1或权利要求26的碱性铝硅酸盐玻璃，以及
b.将碱性铝硅酸盐玻璃浸入离子交换浴中一段高至约24小时的时间，以形成压缩层，该压缩层从碱性铝硅酸盐玻璃的表面延伸到至少约10μm的层深度。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，玻璃满足：
[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。
46.如权利要求44所述的方法，其特征在于，玻璃满足：
[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。
47.如权利要求44所述的方法，其特征在于，玻璃满足：
0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1.4。
48.如权利要求44所述的方法，其特征在于，玻璃满足：
0.6<[M2O3(摩尔％)/RxO(摩尔％)]<1。
49.如权利要求44所述的方法，其特征在于，玻璃满足：
1.3<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.3。
50.如权利要求44所述的方法，其特征在于，玻璃满足：
1.5<[(P2O5+R2O)/M2O3]≤2.0。
51.如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含小于1摩尔％的K2O。
52.如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含小于1摩尔％的B2O3。
53.如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述压缩层处于至少约300MPa的压缩应力下。
54.如权利要求44所述的方法，其特征在于，经过离子交换的玻璃的维氏压痕裂纹开裂负荷至少约为7kgf。
55.如权利要求44所述的方法，其特征在于，经过离子交换的玻璃的维氏压痕裂纹开裂负荷至少约为12kgf。
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