CN104628254A - 碱金属-铝-硅酸盐玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碱金属-铝-硅酸盐玻璃，其包括质量百分比含量在47.5％～55％之间的SiO2，质量百分比含量在21％～27.5％之间的Al2O3；和质量百分比含量在12％～16％之间的Na2O。Al2O3对Na2O的摩尔比在0.9：1到1.2：1之间。该玻璃的特征在于，在其化学钢化后的高硬度和高表面强度，从而得到的极高的抗划伤性有利于其用作显示器玻璃。该玻璃的进一步地优选特征是它的粘度远低于该组玻璃的粘度。

Description

碱金属-铝-硅酸盐玻璃
技术领域
本发明涉及一种碱金属-铝-硅酸盐玻璃，一种包含该玻璃或由该玻璃构成的玻璃制品，以及该玻璃制品作为电子装置的显示器的盖玻璃、安全玻璃或作为钢化光学玻璃的应用。
背景技术
在现有技术中使用具有化学硬化表面的玻璃是已知的，例如，作为电子装置的显示器的抗划伤盖玻璃。玻璃的典型的化学硬化是将未硬化的玻璃板浸入盐浴中。这样，在玻璃板的近表面区域中通过扩散而使玻璃中较小的离子(例如Na+)与盐浴中较大的离子(例如K+)发生交换。扩散层中材料的强度和内应力因较大的离子增加的空间需求而增加。
例如，在DE 10 2010 009 584 A1中，公开了一种锂-铝硅酸盐玻璃，其表面强化是先通过锂离子和钠离子的交换及第二步通过钠离子和钾离子的交换而进行的。在US 8,075,999 B2中进一步地公开了含有质量百分比含量多达20％的Al2O3的化学硬化玻璃。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合于化学硬化且具有改进的性能的玻璃。
该目的是利用权利要求1中的碱金属-铝-硅酸盐玻璃而实现的。有利的实施例来自从属权利要求。本发明的玻璃包括质量百分比含量在47.5％～55％之间的SiO2和质量百分比含量在21％～27.5％之间的Al2O3。玻璃还包括质量百分比含量在12％～16％之间的氧化钠Na2O。在该玻璃中Al2O3对Na2O的摩尔比为0.9：1至1.2：1之间。
SiO2部分的质量百分比含量的优选范围在50％～55％之间，特别地在53％～55％之间。Al2O3部分的质量百分比含量的优选范围在21％～25％之间，特别地在21.5％～23.5％之间。Na2O部分的质量百分比含量的优选范围在13％～16％之间，特别地在13.8％～15.6％之间。
在一实施例中，玻璃中Al2O3对Na2O的摩尔比在0.94：1至1.1：1之间。
在一实施例中，玻璃中SiO2对Al2O3的摩尔比在2.5：1至4.8：1之间，优选地在3.5：1至4.5：1之间，进一步优选地在3.9：1至4.2：1之间。
在一实施例中，本发明的玻璃包括K2O，优选地包括质量百分比含量在1.5％～2.5％之间的K2O。在一实施例中，本发明的玻璃包括Li2O，优选地包括质量百分比含量多达1.5％的Li2O。
本发明的玻璃不同于其他化学硬化的碱金属-铝-硅酸盐玻璃，它在未处理状态，即在未作化学硬化状态，已有较大硬度。此外，本发明的玻璃在化学钢化的过程中，其特征在于，在扩散区域中快速的交换速度和相当大的强度的获得。由于硬度基础值高，且在化学硬化时有良好性能，即使在盐浴中驻留时间少致使的扩散层薄，但相比于具有较大扩散深度的硬化层的已知玻璃来说，在抗划伤方面没有不利。该玻璃在硬化前表面硬度已在，例如，6400MPa～6600MPa之间。
在一实施例中，本发明的玻璃不含Ca或CaO。这点对于在化学硬化过程中的钠离子的交换率是尤其有利的。
在一实施例中，本发明的玻璃包括质量百分比含量在4％～10％之间，优选地在4％～8％之间，进一步优选地在4.5％～6％之间的MgO。这点对于硬化表面层的强度是尤其有利的。据推测在所述浓度范围内，MgO在扩散区域中具有网状(交联)强化效应。
在一实施例中，本发明的玻璃包括质量百分比含量多达1％，优选地在0.3％～0.5％之间的SnO2。在一实施例中，本发明的玻璃包括质量百分比含量多达0.6％，优选地多达0.2％的CeO2。在一实施例中，本发明的玻璃包括质量百分比含量多达1％的F。这些成分尤其可用作玻璃生产中的澄清剂。
在一实施例中，本发明的玻璃包括质量百分比含量在1.8％～3.5％之间，优选地在2％～2.5％之间的ZrO2。在一实施例中，本发明的铝硅酸盐玻璃包括质量百分比含量在0.2％～3.5％之间的ZnO。
本发明进一步涉及一种包括本发明的碱金属-铝-硅酸盐玻璃的玻璃制品或由本发明的碱金属-铝-硅酸盐玻璃构成的玻璃制品。例如，玻璃制品可只由本发明的玻璃制成，或具有本发明的玻璃构成的区域，例如层。
在一实施例中，玻璃制品的碱金属-铝-硅酸盐玻璃在其表面至少部分被化学硬化，且在其表面至少部分地具有扩散层。在扩散层中，Na的浓度相比于未处理的玻璃组成低，而另一元素(例如K)的浓度相比于未处理的玻璃组成高。此扩散层可通过化学硬化过程获得，其中玻璃制品在特定温度和驻留时间下被浸入盐浴中(例如，有熔融KNO3的槽液)。
在一实施例中，该扩散层厚度在10μm～60μm之间，优选地厚度在15μm～35μm之间，进一步优选地厚度在20μm～30μm之间。层厚度取决于在盐浴中的驻留时间或者盐浴的温度。扩散层与剩余的玻璃之间的边界将被获得，在该边界处Na的浓度相对于未经处理的玻璃组成具有可测量出的差异。
在一实施例中，玻璃制品为玻璃板，其或者是单一地由本发明的玻璃制成，或者具有至少一层本发明的玻璃。在此情形下，该玻璃板的一个或两个相对设置的表面可被化学硬化。本发明的玻璃板或玻璃层的厚度可在0.4mm～2mm之间。
本发明进一步涉及该玻璃板作为电子装置的元件的应用，特别地作为显示器(可选择地，具有触摸屏)的盖玻璃。适合的电子装置尤其包括移动电话或智能型手机及计算机或平板电脑。
附图说明
进一步的细节和优点见于以下附图和实施例。附图是在1200℃～1550℃的温度范围中本发明的玻璃对比现有技术的玻璃的测量粘度曲线。
具体实施方式
〔实施例1〕
将一批适当量的原料放在玻璃炉中熔化、均化、澄清并静置以便得到具有以下成分的玻璃：
-质量百分比含量为53.8％的SiO2；
-质量百分比含量为21.9％的Al2O3；
-质量百分比含量为5.7％的MgO；
-质量百分比含量为14％的Na2O；
-质量百分比含量为1.9％的K2O；
-质量百分比含量为2.2％的ZrO2；
-质量百分比含量为0.4％的SnO2；和
-质量百分比含量为0.1％的CeO2。
然后铸成玻璃块并作精细退火。在进一步地步骤中，本发明的玻璃板(以下称作玻璃1)是由该玻璃块通过切割、研磨和抛光制成的。
〔实施例2〕
将一批适当量的原料放在玻璃炉中熔化、均化、澄清并静置以便得到具有以下成分的玻璃：
-质量百分比含量为53.8％的SiO2；
-质量百分比含量为22.9％的Al2O3；
-质量百分比含量为4.7％的MgO；
-质量百分比含量为14％的Na2O；
-质量百分比含量为1.9％的K2O；
-质量百分比含量为2.2％的ZrO2；
-质量百分比含量为0.4％的SnO2；和
-质量百分比含量为0.1％的CeO2。
然后铸成玻璃块并作精细退火。进一步地步骤中，本发明的玻璃板(以下称作玻璃2)是由该玻璃块通过切割、研磨和抛光制成的。
相对于实施例1，在玻璃组成中，Al2O成分由此提高了1％的质量百分比含量，MgO成分减少了1％的质量百分比含量。
〔实施例3〕
玻璃1及玻璃2通过在430℃下浸入在有熔融KNO3的盐浴中4小时被化学硬化。在此，Na离子从玻璃扩散到盐熔融液，而K离子由盐熔融液扩散到玻璃中。这样，在玻璃板表面形成20μm厚的扩散层。
下面的表1包括玻璃1和玻璃2的测量的性能值，以及制造商Corning的品牌玻璃“Gorilla”(其被用作例如iPhone手机的显示器的盖玻璃)的对应的性能值。
表1
关于粘度性能和结晶性能，可从测量值看出，本发明的玻璃在熔解及加工范围的固定粘度点的温度显著低于Gorilla玻璃。
要指出的是，最佳的澄清范围粘度为log η＝1～2，玻璃1粘度达到log η＝1的温度比Gorilla玻璃低115K。对于log η＝2，温差为110K。关于玻璃2的此值比Gorilla玻璃低50K(log η＝1及log η＝2)。总体来说，本发明的玻璃因此在温度≤1450℃时log η＝2〔Pa·s〕。因此一般认为粘度范围在10～100Pa·s之间时，相对于对照玻璃的平均澄清温度降低50～100K。
因此，生产中存在可以以不同方式被利用的温度保留。温度保留的应用的例子包含用于节省能量、用于降低耐火材料的应变，用于提高质量及产量，或者用于增加特定熔解性能。
附图所示为本发明的玻璃1和玻璃2与Gorilla玻璃和Schott公司的用于智能手机显示器的盖玻璃的品牌玻璃“Xensation”的测量的粘度曲线的比较。示出的温度范围在1200℃～1550℃之间。如图所示，本发明的玻璃的粘度在整个温度范围内远低于现有技术的玻璃的粘度。
此外，玻璃1和玻璃2适用于在浮法玻璃生产法中的应用。如表1所示，特别是玻璃2的液相线温度(1220℃)低于浮法玻璃生产法的范围在400Pa·s至800Pa·s之间(log η为2.6～2.9)的代表性温度。关于玻璃2的情形这里给出的安全间隔超过50℃。玻璃1没有安全间隔，但作为精细退火和铸块的前期检查的一部分，在所讨论的温度范围内没有发现结晶。
关于机械性能，可由表看出，本发明的玻璃在非化学硬化状态下的维氏硬度已比对照玻璃高了约10％。此外，这种差别在相对的扩散深度(玻璃1和2为20μm，Gorilla玻璃为30μm)硬化时更加突显，因为本发明的玻璃的此值在化学钢化时提高约10％，而对照玻璃的相对硬度增长和绝对硬度增长都较小。
此外，本发明的玻璃有较高的表面强度。根据DIN 1288-5的双环测量法得出该硬化玻璃的表面强度比Gorilla玻璃的表面强度高了30％。也为了考虑到本发明的玻璃与Gorilla玻璃相比的较低的扩散深度(玻璃1和2为20μm，Gorilla玻璃为30μm)，随即利用对相当厚度的扩散层的折射率方法进行光学测量。为此，玻璃1在可供选择的实施例中通过浸入到440℃的液态KNO3的盐浴中4小时而被化学硬化。这样，得到厚度为30μm的扩散层。在表中列出了相应的数值也证实了相当高的表面强度。
这意味着,即使在更低的扩散深度和从而在盐浴中更短也因此更经济的驻留时间，相对于已知的玻璃，可预期到在抗划伤性方面也不会不利。

Claims (15)

1.一种玻璃，
其特征在于，
其包括质量百分比含量在47.5％～55％之间的SiO2；质量百分比含量在21％～27.5％之间的Al2O3；和质量百分比含量在12％～16％之间的Na2O；且其中Al2O3对Na2O的摩尔比在0.9：1至1.2：1之间。
2.根据权利要求1所述的玻璃，其特征在于，其包括质量百分比含量在50％～55％之间，优选地在53％～55％之间的SiO2。
3.根据权利要求1至2之一所述的玻璃，其特征在于，其包括质量百分比含量在21％～25％之间，优选地在21.5％～23.5％之间的Al2O3。
4.根据权利要求1至3之一所述的玻璃，其特征在于，其包括质量百分比含量在13％～16％之间，优选地在13.8％～15.6％之间的Na2O。
5.根据权利要求1至4之一所述的玻璃，其特征在于，SiO2对Al2O3的摩尔比在2.5：1至4.8：1之间，优选地在3.5：1至4.5：1之间，进一步优选地在3.9：1至4.2：1之间。
6.根据权利要求1至5之一所述的玻璃，其特征在于，Al2O3对Na2O的摩尔比在0.94：1至1.1：1之间。
7.根据权利要求1至6之一所述的玻璃，其特征在于，该玻璃还包括质量百分比含量在1.5％～2.5％之间的K2O和/或质量百分比含量多达1.5％的Li2O。
8.根据权利要求1至7之一所述的玻璃，其特征在于，该玻璃不含CaO。
9.根据权利要求1至8之一所述的玻璃，其特征在于，其包括质量百分比含量在4％～10％之间，优选地在4％～8％之间，进一步优选地在4.5％～6％之间的MgO。
10.根据权利要求1至9之一所述的玻璃，其特征在于，其包括质量百分比含量大于0且小于或等于1％，优选地在0.3％～0.5％之间的SnO2；和/或其包括质量百分比含量大于0且小于或等于0.6％，优选地为大于0且小于或等于0.2％的CeO2；和/或其包括质量百分比含量大于0且小于或等于1％的F。
11.根据权利要求1至10之一所述的玻璃，其特征在于，其包括质量百分比含量在1.8％～3.5％之间，优选地在2％～2.5％之间的ZrO2，和/或其包括质量百分比含量大于0.2％且小于或等于3.5％的ZnO。
12.一种包含权利要求1至11之一所述玻璃的玻璃制品或由权利要求1至11之一所述玻璃构成的玻璃制品，其中优选地在玻璃表面至少部分地具有扩散层，其中该玻璃的K含量比基本组成高，且该玻璃的Li含量和Na含量比基本组成低。
13.根据权利要求12所述的玻璃制品，其特征在于，该扩散层厚度在10μm～60μm之间，优选地厚度在15μm～35μm之间，进一步优选地厚度在20μm～30μm之间。
14.根据权利要求11至13之一所述的玻璃制品，其特征在于，该玻璃制品为一玻璃板。
15.根据权利要求14所述的玻璃板作为电子装置的显示器的盖玻璃的应用，特别是作为移动电话或计算机的显示器的盖玻璃的应用。
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