CN107873021A - 用于玻璃的低温化学强化工艺 - Google Patents

Abstract

一种对玻璃进行化学强化的方法。所述方法包括将离子交换溶液加热至低于约360℃的温度；以及在该温度下使玻璃与强化溶液接触约0.5小时‑约24小时的持续时间。所述离子交换溶液包含主硝酸盐和约1重量％‑约10重量％的至少一种一价或二价阳离子硝酸盐成分。

Description

用于玻璃的低温化学强化工艺

相关申请的交叉引用

本申请依据35 U.S.C.§119要求于2015年2月27日提交的美国临时申请系列号62/121693的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。

背景

技术领域

本说明书总体上涉及用于对玻璃进行化学强化的工艺，更具体而言，涉及用于对玻璃进行化学强化的低温工艺。更具体而言，本说明书涉及用于在包含添加剂的离子交换溶液中对玻璃进行化学强化的低温工艺。

背景技术

化学强化玻璃目前被用于手持式装置，诸如移动电话、媒体播放器和其它装置中，还被用于需要高强度和耐磨性的其它应用中。

离子交换是一种化学强化工艺，其始于含有较小离子(流出离子)的玻璃，所述较小离子能够在离子交换溶液中、于升高了的温度下被较大的离子(交换离子)交换。在离子交换工艺中，较大的交换离子对玻璃中的较小的流出离子进行置换。玻璃表面处的更大、堆积更密的离子产生高压缩应力，进而提供更高的强度。

通常，离子交换工艺过程中离子交换溶液的温度为370℃-550℃，以对用于消费类产品应用的玻璃进行强化。常规离子交换工艺所要求的高温可导致离子交换溶液中的盐分解，形成可对玻璃的视觉性质产生影响、且在一些实施方式中具有腐蚀性的副产物。

因此，需要低温离子交换工艺。

发明概述

根据一种实施方式，描述了一种用于对玻璃进行化学强化的方法。该方法包括将离子交换溶液加热至低于约360℃的温度；以及在该温度下使玻璃与强化溶液接触约0.5小时-约24小时的持续时间。所述离子交换溶液包含主硝酸盐成分和约1重量％-约10重量％的至少一种不同于所述主硝酸盐的一价或二价阳离子硝酸盐成分。

在另一种实施方式中，公开了一种用于对玻璃进行化学强化的方法。该方法包括将第一离子交换溶液加热至约390℃-约480℃的第一温度；以及在第一温度下使玻璃与第一离子交换溶液接触约5小时-约45小时的持续时间。该方法还包括将第二离子交换溶液加热至低于约360℃的第二温度；以及在第二温度下使玻璃与第二离子交换溶液接触约0.5小时-约24小时的持续时间。在该方法中，在玻璃在第二温度下与第二离子交换溶液接触之前，使玻璃在第一温度下与第一离子交换溶液接触，且第二离子交换溶液包含主硝酸盐成分和约1重量％-约10重量％的至少一种不同于所述主硝酸盐的一价或二价阳离子硝酸盐成分。

在以下的详细描述中给出了本发明的附加特征和优点，通过所作的描述，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所描述的实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都描述了各种实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各种实施方式，且与描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。

附图的简要说明

图1是根据本文所述的实施方式的KNO₃-NaNO₃-Ca(NO₃)₂体系的三元相图。

发明详述

下面将详细参考用于对玻璃进行化学强化的工艺的实施方式。在一些实施方式中，一种用于对玻璃进行化学强化的方法包括将离子交换溶液加热至低于约360℃的温度；以及在该温度下使玻璃与强化溶液接触约0.5小时-约6小时的持续时间。所述离子交换溶液包含主硝酸盐和约1重量％-约10重量％的至少一种不同于所述主硝酸盐的一价或二价阳离子硝酸盐成分。如本文所用，“一价或二价阳离子硝酸盐”、“附加的阳离子硝酸盐”和“附加的硝酸盐”是指存在于离子交换溶液中的除了该离子交换溶液中的主硝酸盐以外且与其不同的一价或二价阳离子硝酸盐。下面将具体参考附图更详细地描述用于对玻璃进行化学强化的方法的各种实施方式。

在另一些实施方式中，一种方法包括将第一离子交换溶液加热至约390℃-约480℃的第一温度；以及在第一温度下使玻璃与第一离子交换溶液接触约5小时-约45小时的持续时间。该方法还包括将第二离子交换溶液加热至低于约360℃的第二温度；以及在第二温度下使玻璃与第二离子交换溶液接触约0.5小时-约6小时的持续时间。在该方法中，在玻璃在第二温度下与第二离子交换溶液接触之前，使玻璃在第一温度下与第一离子交换溶液接触，且第二离子交换溶液包含主硝酸盐和约1重量％-约10重量％的至少一种不同于所述主硝酸盐的一价或二价阳离子硝酸盐成分。

下面将具体参考附图更详细地描述用于对玻璃进行化学强化的方法的各种实施方式。

可在本文所述的方法中使用任何能够被离子交换的玻璃。在一些实施方式中，玻璃是碱性铝硅酸盐玻璃。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含：56-73摩尔％的SiO₂、6-25摩尔％的Al₂O₃、0-15摩尔％的B₂O₃、0-15摩尔％的Li₂O、0-20摩尔％的Na₂O、0-10摩尔％的K₂O、0-8摩尔％的MgO、0-10摩尔％的CaO、0-5摩尔％的ZrO₂、0-1摩尔％的SnO₂、0-1摩尔％的CeO₂、0-10摩尔％的P₂O₅、0-10摩尔％的ZnO、0-5摩尔％的TiO₂、小于50ppm的As₂O₃和小于50ppm的Sb₂O₃。在一些实施方式中，玻璃满足以下不等式：12摩尔％≤Li₂O+Na₂O+K₂O≤20摩尔％且0摩尔％≤MgO+CaO+ZnO≤10摩尔％。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃基本上不含锂。在另一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃基本上不含砷、锑和钡中的至少一种。在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃可通过诸如熔合拉制法、狭缝拉制法和重新拉制法这样的技术下拉得到。

表面压缩应力(本文中也称为“压缩应力”)和压缩应力层深度(本文中也称为“层深度”)是影响化学强化玻璃性能的两个因素。压缩应力和压缩应力层深度的结合能够防止由玻璃精整处理而产生的人为微缺陷的蔓延。压缩应力还可提供对于诸如钝冲击或锋利冲击这样的损伤接触力的耐性。如果具有足够的层深度，则压缩应力与化学强化玻璃的强度和耐冲击性成正比。

如上文所述，常规的离子交换工艺在370℃-550℃的离子交换溶液温度下进行。在上述范围内选择离子交换溶液的温度，以在给定的加工时间内实现所需的压缩应力和层深度。常规范围中的下限温度(即，370℃)部分受限于离子交换溶液中所使用的盐的熔点，例如KNO₃和/或NaNO₃的熔点。上述范围中的上限温度(即，550℃)部分取决于离子交换溶液中的盐的稳定性、避免与盐分解有关的有毒排放的需要、含有离子交换溶液的容器的因盐引起的腐蚀、以及所需的玻璃强度性质。例如，离子交换溶液中诸如由盐分解导致的杂质可导致在玻璃表面上形成沉淀，其可能改变视觉品质。因此，可能需要较长的离子交换持续时间，例如长于60小时，以通过使用低温离子交换溶液来实现高压缩应力和深的层深度。然而，如果离子交换工艺的持续时间太长，则该离子交换工艺将会不适合大规模生产。因此，需要对玻璃制品进行离子交换强化的方法，所述方法能够降低离子交换工艺的操作温度，并且不会对玻璃的强化产生负面影响。

为了实现上述方法，本文提供了能够在低温下促进离子交换的离子交换溶液和使用这些溶液的方法。在一些实施方式中，离子交换溶液的操作温度可通过降低离子交换溶液的熔点来降低。在常规的离子交换工艺中，离子交换溶液包含无机硝酸盐，例如KNO₃、NaNO₃或它们的组合。在一些实施方式中，离子交换溶液中的主硝酸盐为KNO₃、NaNO₃或它们的混合物。在一些实施方式中，可通过在离子交换溶液中包含附加的一价或二价阳离子硝酸盐来降低常规离子交换溶液的熔点。在一些实施方式中，附加硝酸盐选自下组：Ca(NO₃)₂、LiNO₃、Mg(NO₃)₂、Sr(NO₃)₂和AgNO₃。在一些实施方式中，所述一价或二价阳离子硝酸盐中的附加的一价或二价阳离子的离子半径约为90pm-约135pm，例如约90pm-约115pm。

然而，并非所有一价和二价阳离子都可用于离子交换溶液中。例如，当将脱水Ca²⁺以CaO的形式加入离子交换溶液中时，CaO会防止玻璃中的Na⁺离子与离子交换溶液中的K⁺离子之间的离子交换，从而对玻璃的强化产生负面影响。相比之下，发现当将Ca(NO₃)₂加入常规离子交换溶液中时，Ca(NO₃)₂不会防止玻璃中的Na⁺离子与离子交换溶液中的K⁺离子之间的离子交换，从而不会影响玻璃的强化。无意受限于任何具体理论，据信具有较大离子半径的阳离子不会在低温下扩散入玻璃深处。从而，在玻璃制品的表面形成高浓度的大离子半径阳离子，并且阻碍了目标离子，例如K⁺的扩散。因此，必须慎重选择附加的一价或二价阳离子硝酸盐。

附加的一价或二价阳离子硝酸盐降低离子交换工艺的操作温度的机理是通过降低离子交换溶液的熔点。举例来说，KNO₃的熔点约为337℃，NaNO₃的熔点约为308℃。KNO₃与NaNO₃的混合物在约50重量％KNO₃和约50重量％NaNO₃的浓度下具有低共熔点。低共熔点处的熔点约为227℃。随着KNO₃与NaNO₃的二元混合物中KNO₃浓度的上升，该二元混合物的熔点从227℃(即，低共熔点处的熔点)升至337℃(即，纯KNO₃的熔点)。类似地，随着KNO₃与NaNO₃的二元混合物中NaNO₃浓度的上升，该二元混合物的熔点从227℃(即，从低共熔点处的熔点)升至308℃(即，纯NaNO₃的熔点)。因此，包含KNO₃、NaNO₃以及它们的混合物的离子交换溶液的熔点约为220℃(即，50:50重量比下的熔点)-约337℃(即，几乎纯KNO₃的熔点)。

在各种实施方式中，将一价或二价阳离子硝酸盐添加至离子交换溶液中，形成具有以下体系的低共熔物：(1)KNO₃-NaNO₃-(一价或二价阳离子硝酸盐)三元体系；(2)KNO₃-(一价或二价阳离子硝酸盐)二元体系；或(3)NaNO₃-(一价或二价阳离子硝酸盐)二元体系。例如，图1显示了KNO₃-NaNO₃-Ca(NO₃)₂体系的三元相图。如图1所示，当将Ca(NO₃)₂添加至KNO₃、NaNO₃或它们的混合物中时，会形成低共熔物，其会降低体系的熔点。举例来说，Ca(NO₃)₂与KNO₃的50:50重量％混合物具有约146℃的熔点；Ca(NO₃)₂与NaNO₃的50:50重量％混合物具有约270℃的熔点；包含Ca(NO₃)₂、KNO₃和NaNO₃各三分之一重量％的三元混合物具有约200℃的熔点。因此，离子交换溶液的熔点可通过添加一价或二价阳离子硝酸盐(例如在一些实施方式中为Ca(NO₃)₂)来降低。

离子交换溶液的熔点只是用于决定离子交换工艺操作温度的一个因素。例如，可升高离子交换溶液的温度，以增加取代玻璃基质中流出离子的交换离子的量，从而提高玻璃的压缩应力。另外，提高离子交换溶液的温度可增加压缩应力层的深度。然而，离子交换工艺的最低操作温度必然受限于离子交换溶液的熔点，因为如果离子交换溶液的成分不熔化，则离子交换就不会发生。在大多数情况下，离子交换工艺的操作温度会高于离子交换溶液的熔点。因此，离子交换溶液较低的熔点允许降低离子交换溶液的操作温度。通常，离子交换溶液的操作温度保持在高于离子交换溶液熔点约10℃-约20℃的温度。如果操作温度保持在接近离子交换溶液熔点的温度，则产生离子交换溶液的大量盐可能会由于玻璃附近的离子交换溶液的局部降低而沉积在玻璃表面上。例如，玻璃的温度通常会低于离子交换溶液的温度。因此，当玻璃与离子交换溶液接触时，紧邻于更冷的玻璃的离子交换溶液的温度会降低，且如果过于接近玻璃的熔点，则制造离子交换溶液的盐可能会固化并在玻璃上形成过多的盐沉淀。

如上所述，离子交换工艺的常规操作温度约为370℃-约550℃。根据上文所述，可将一价或二价阳离子硝酸盐添加至常规离子交换溶液(例如包含KNO₃、NaNO₃以及它们的混合物的离子交换溶液)中，以降低离子交换溶液的熔点，从而还允许降低离子交换工艺的操作温度。在一些实施方式中，离子交换工艺的操作温度低于约360℃，例如低于约350℃。在另一些实施方式中，离子交换工艺的操作温度低于约340℃，例如低于约330℃。在上述实施方式中，离子交换工艺的操作温度高于约300℃，例如高于约310℃。例如，在一些实施方式中，离子交换工艺的操作温度约为300℃-约360℃，例如约305℃-约355℃。在另一些实施方式中，离子交换工艺的操作温度约为310℃-约350℃，例如约315℃-约345℃。在另一些实施方式中，离子交换工艺的操作温度约为320℃-约340℃，例如约325℃-约335℃。

在一些实施方式中，为了实现上文所述的低离子交换操作温度，将约1重量％-约10重量％、例如约2重量％-约9重量％的附加的一价或二价阳离子硝酸盐添加至离子交换溶液中。在另一些实施方式中，将约3重量％-约8重量％、例如约4重量％-约7重量％的附加的一价或二价阳离子硝酸盐添加至离子交换溶液中。在某些实施方式中，将约3重量％-约6重量％、例如约5重量％的附加的一价或二价阳离子硝酸盐添加至离子交换溶液中。剩余的离子交换溶液包含常规离子交换溶液的成分，例如KNO₃、NaNO₃以及它们的混合物。因此，在一些实施方式中，离子交换溶液包含约90重量％-约99重量％的KNO₃，例如约91重量％-约98重量％的KNO₃。在另一些实施方式中，离子交换溶液包含约92重量％-约97重量％的KNO₃，例如约93重量％-约96重量％的KNO₃。在某些实施方式中，离子交换溶液主要由约90重量％-99重量％的KNO₃和约1重量％-约10重量％的Ca(NO₃)₂组成。尽管可使用KNO₃浓度接近低共熔点处浓度的离子交换溶液来实现更低的熔点，但KNO₃的浓度还必须基于所需的压缩应力来选择。例如，KNO₃与Ca(NO₃)₂的50/50重量％混合物(50/50混合物)的熔点可能低于90重量％KNO₃与10重量％Ca(NO₃)₂的混合物(90/10混合物)的熔点，但50/50混合物中KNO₃的较低含量不会提供与90/10混合物一样高的压缩应力，这是因为50/50混合物中可使用的K⁺离子比90/10混合物中的更少。此外，如果离子交换工艺的操作温度过低，则交换离子和流出离子将会缺乏足够的移动性来导致流出离子的置换。因此，在很低的操作温度下，离子交换工艺会变得效率低下，以致于将没有商业可行性。所以，使离子交换溶液的熔点低于高效的操作温度将不会带来多少益处，甚至没有益处。在一些实施方式中，高效的操作温度高于约280℃，或甚至高于约300℃。

使用根据本文所述的实施方式的包含主硝酸盐和附加的一价或二价阳离子硝酸盐的离子交换溶液的离子交换工艺的持续时间可根据玻璃的所需性质(例如所需的压缩应力和层深度)而改变。此外，因为本发明的离子交换工艺的操作温度低于常规工艺，可能需要更长的持续时间以实现与常规方法中所实现的压缩应力和层深度相同或相似的压缩应力和层深度。尽管从产量角度来看，增加离子交换工艺的持续时间不太令人满意(即，离子交换槽的生产性将会降低)，但其允许更好地控制玻璃中的压缩应力和层深度。例如，如果常规的离子交换工艺只需要15分钟来得到75μm的层深度和800MPa的压缩应力，则离子交换会发生得很快，且会难以在人工控制的离子交换工艺中进行控制。然而，如果低温离子交换工艺用一个小时来达到相同的75μm层深度和相同的800MPa压缩应力，则将会更加容易地对人工控制的离子交换工艺中的准确的压缩应力和层深度进行控制。根据本文所述的实施方式，在远低于常规离子交换温度的温度下进行离子交换的玻璃可具有与利用常规离子交换方法在更高温度下制得的玻璃相同的压缩应力、压缩应力曲线和DOL。

在一些实施方式中，在离子交换溶液包含主硝酸盐和附加的一价或二价阳离子硝酸盐的情况下，离子交换工艺的持续时间约为0.5-约24小时，例如约1-约12小时。在另一些实施方式中，离子交换工艺的持续时间约为1-约8小时，例如约1-约4小时。在另一些实施方式中，在离子交换溶液包含主硝酸盐和附加的一价或二价阳离子硝酸盐的情况下，离子交换工艺的持续时间长于约8小时，例如长于约12小时。在另一些实施方式中，在离子交换溶液包含主硝酸盐和附加的一价或二价阳离子硝酸盐的情况下，离子交换工艺的持续时间短于约4小时，例如长于约2小时。

通过在离子交换工艺中使用较低的离子交换溶液温度，可获得许多优势。例如，低温离子交换工艺能够减轻因暴露于高温离子交换溶液中而导致的玻璃的翘曲和损伤。另外，通过使用低温离子交换溶液可减轻因离子交换工艺后的冷却而导致的破裂和形变。当玻璃是薄玻璃时，上述优势特别明显。应当理解的是，相比于较厚的玻璃，薄玻璃更容易因高温热循环而发生形变、翘曲和破裂。因此，在一些实施方式中，经过离子交换的玻璃可以是厚度小于约1mm、例如小于约0.75mm的玻璃板。在另一些实施方式中，玻璃板具有小于约0.5mm、例如小于约0.25mm的厚度。在一些实施方式中，玻璃的厚度可约为0.05mm-约0.2mm，例如约0.075-约0.15mm。在一些包含薄玻璃板的实施方式中，层深度可小于约20μm，例如小于约15μm。在另一些包含薄玻璃板的实施方式中，层深度小于约10μm。

如上所述，使用本文所述实施方式的低温离子交换形成的玻璃的压缩应力、压缩应力曲线和DOL与使用常规离子交换工艺在高得多的温度下形成的玻璃制品的压缩应力、压缩应力曲线和DOL相似或更好。因此，按照本文所述实施方式形成的玻璃的强度和耐久性会与按照常规离子交换工艺形成的玻璃的强度和耐久性相似。例如，利用本文公开和讨论的方法所形成的玻璃会具有与美国专利申请系列号14/530073和14/530155中公开的性质相同或相似的性质(例如压缩应力、压缩应力曲线、层深度、强度和耐久性等)，上述文献通过引用全文纳入本文，且公开了高温下的离子交换工艺。

在一些实施方式中，离子交换工艺是用于对玻璃进行强化并且减小玻璃中压缩应力变化的两阶段离子交换工艺。当在生产环境中对多个玻璃制品进行化学强化时，该两阶段离子交换工艺能够维持高且稳定的表面压缩强度。该工艺包括第一(主)交换阶段和第二(次)交换阶段。在主交换阶段中，在第一离子交换溶液中将玻璃强化至所需的层深度(DOL)。用流出离子(即，从玻璃基质中除去并被较大离子取代的较小离子)对第一离子交换溶液进行稀释。在一些实施方式中，第一离子交换溶液包含本文所述的一价或附加的阳离子硝酸盐。例如，如果Na⁺离子是流出离子，则用Na⁺离子对第一离子交换溶液进行稀释。离子交换溶液中存在流出离子能够降低离子交换的玻璃的压缩应力。然而，每一次附加的离子交换操作不会明显改变流出离子在离子交换溶液中的百分比，因此压缩应力不会像未稀释盐浴中那样快速退化。在一些实施方式中，主阶段中的离子交换溶液是常规离子交换溶液，该常规离子交换溶液被加热至约390℃-约480℃的温度且持续时间约为5小时-45小时。

在主阶段之后的次阶段中，接着在第二离子交换溶液中对在主阶段中强化的玻璃进行化学强化，所述第二离子交换溶液含有交换离子(即，取代玻璃基质中的较小离子的较大离子)和比主离子交换溶液中低得多(或为零)的流出离子浓度。第二阶段使压缩应力提高至所需的水平。在一些实施方式中，第二离子交换溶液包含本文所述的附加的一价或二价阳离子硝酸盐。两阶段离子交换工艺的第一阶段主要提高层深度而不显著提高玻璃的压缩应力，这通过增加第一离子交换溶液中流出离子的量来实现。因此，两阶段离子交换工艺的第一阶段中所发生的离子交换的量是足以实现所需层深度的量。相反，因为第二离子交换溶液中流出离子的量较少，随着玻璃基质中的大量流出离子被第二离子交换溶液中的交换离子置换，两阶段离子交换溶液的第二阶段中的压缩应力快速升高。因此，在次阶段中只发生了相对少量的离子交换。所以，第二阶段中盐稀释的速率或程度显著降低。在一些实施方式中，次阶段离子交换溶液是包含本文实施方式中所描述的附加的一价或二价阳离子硝酸盐的离子交换溶液。

尽管主阶段浴中的流出离子稀释速率增加，本文所述的两阶段离子交换工艺仍然能够始终维持精整(强化)玻璃中的高压缩应力。此外，该工艺还能够将与盐置换相关的设备整修时间减到最短，并且提供改善的工艺稳定性、更高的压缩强度值、更高效的盐利用率和总体上更高的产品机械可靠性。

通过添加所需量的流出盐和交换盐并随后使混合物熔化来制备主、次离子交换溶液。在一些实施方式中，流出离子和交换离子是碱金属离子，例如Li⁺、Na⁺、K⁺、Cs⁺和Rb⁺。离子交换溶液中的较大的碱金属离子(交换离子)取代玻璃中的较小的碱金属离子(流出离子)。例如，玻璃基质中的Na⁺可被K⁺、Cs⁺或Rb⁺离子取代。通常，玻璃中的碱金属离子被第二大的碱金属离子的离子置换。例如，玻璃中的Na⁺离子通常被浴中的K⁺离子置换。对于主、次离子交换溶液，在上文所述的温度下熔化盐，并且使浴保持在该温度下，使其稳定一段预定的时间。

在一些实施方式中，可使用“新鲜”未使用的盐来制备主离子交换溶液。在另一些实施方式中，可使用之前稀释过的盐浴作为离子交换溶液。在一些实施方式中，使用新鲜的盐来制备次离子交换溶液。

在浸入主离子交换溶液中之前，对待处理的玻璃进行预热，以防止热冲击，并且将浴负载(即，冷却)效应降到最低。预热温度取决于离子交换工艺的操作温度。然后，将试样浸入主离子交换溶液中，在第一温度下进行主离子交换阶段，所述主离子交换阶段的持续时间足以实现所需的层深度，此时，将玻璃试样移出主离子交换溶液并使其冷却。随后，可用水冲洗玻璃试样以除去残留的干燥了的盐，并且防止次离子交换溶液的污染，接着进行干燥以除去残留水分。可任选地在浸入主离子交换溶液与浸入次离子交换溶液之间对玻璃进行退火。

在浸入次离子交换溶液之前，再次对玻璃试样进行预热。在具有新鲜的盐(或具有比主离子交换溶液的稀释速率明显更低的稀释速率)的次离子交换溶液中进行次离子交换阶段，以提高或稳定主离子交换阶段中产生的压缩应力。将试样浸入次离子交换溶液中，在第二温度下进行次离子交换阶段，所述次离子交换阶段的持续时间足以实现所需的压缩应力，此时，将玻璃移出次离子交换溶液并使其冷却。可用水冲洗玻璃试样以除去残留的干燥了的盐，并且防止次阶段离子交换溶液的污染，接着进行干燥以除去残留水分。

由本文所述的化学强化工艺导致的压缩应力可使用非破坏性方法来测量，例如，使用能够测量表面压缩应力的折原FSM-6000应力光学计来测量，或者可使用破坏性测试来测量，例如使用四点弯曲、三点弯曲、环叠环、落球测试等来测量。

在一些实施方式中，离子交换后玻璃中的表面压缩应力大于约850MPa，例如大于约875MPa。在另一些实施方式中，离子交换后玻璃中的表面压缩应力大于约900MPa，例如大于约925MPa。在另一些实施方式中，表面压缩应力大于约950MPa，例如大于约975MPa。在另一些实施方式中，离子交换后玻璃中的表面压缩应力大于约1000MPa，例如大于1100MPa。在上述实施方式中，离子交换后玻璃的表面压缩应力小于约1200MPa，例如小于约1150MPa。因此，在一些实施方式中，离子交换后玻璃的表面压缩应力约为850MPa-约1200MPa，例如约875MPa-约1150MPa。在另一些实施方式中，离子交换后玻璃的表面压缩应力约为900MPa-约1100MPa，例如约925MPa-约1050MPa。在另一些实施方式中，离子交换后玻璃的表面压缩应力约为950MPa-约1025MPa，例如约975MPa-约1000MPa。在一些实施方式中，表面压缩应力大于约250MPa，例如大于约300MPa。在另一些实施方式中，表面压缩应力大于约350MPa，例如大于约400MPa。在另一些实施方式中，表面压缩应力大于约450MPa，例如大于约500MPa。在这些实施方式中，表面压缩应力小于约850MPa，例如小于约800MPa。在另一些这样的实施方式中，表面压缩应力小于约750MPa，例如小于约700MPa。因此，在一些实施方式中，表面压缩应力约为250MPa-约850MPa，例如约300MPa-约800MPa。在另一些实施方式中，表面压缩应力约为350MPa-约750MPa，例如约400MPa-约700MPa。在另一些实施方式中，表面压缩应力约为450MPa-约550MPa。

通过使用本文所述的工艺，能够使层深度增加至所需水平。在一些实施方式中，层深度可大于约40μm，例如大于约45μm。在另一些实施方式中，层深度可大于约50μm，例如大于约55μm。在另一些实施方式中，层深度可大于约60μm，例如大于约65μm。在另一些实施方式中，层深度可大于约70μm，例如大于约75μm。在上述实施方式中，层深度小于约150μm，例如小于约125μm。在另一些上述实施方式中，层深度小于约100μm，例如小于约90μm。因此，在一些实施方式中，层深度约为40μm-约150μm，例如约45μm-约125μm。在另一些实施方式中，层深度约为50μm-约110μm，例如约55μm-约100μm。在另一些实施方式中，层深度约为60μm-约90μm，例如约65μm-约85μm。在另一些实施方式中，层深度约为70μm-约85μm。在玻璃是薄板的实施方式中，层深度可小于约30μm，例如小于约25μm。在另一些玻璃是薄板的实施方式中，层深度可小于约20μm，例如小于约15μm。在玻璃是薄板的实施方式中，层深度可大于约5μm，例如小于约10μm。因此，在玻璃是薄板的实施方式中，层深度可约为5μm-约30μm，例如约10μm-约25μm。在另一些玻璃是薄板的实施方式中，层深度可约为15μm-约20μm。

实施例

实施例

利用以下实施例对实施方式进行进一步阐述，这些实施方式只是示例性的，不限制本公开的范围。

按照常规方法形成了18件玻璃板。由以下三种玻璃类型中的每一种形成6件玻璃板：玻璃3、玻璃4和碱性铝硅酸盐玻璃(皆由康宁有限公司(Corning)制造)。

通过混合55重量％的KNO₃和45重量％的NaNO₃来制备主离子交换溶液。将该混合物加热至450℃，并且将18件玻璃板单独浸入主离子交换溶液中，并持续以下表1中所示的持续时间。随后，将玻璃板移出主离子交换溶液，并用水冲洗以除去任何残留的离子交换溶液。

通过混合95重量％的KNO₃和5重量％的Ca(NO₃)₂来制备次离子交换溶液。然后将该混合物加热至以下表1所示的温度。随后将玻璃板浸入次离子交换溶液中，并持续以下表1中所示的持续时间。将玻璃板移出次离子交换溶液，并用水冲洗以除去残留的离子交换溶液。

在离子交换处理后立即使用折原FSM-6000应力光学计对每件试样的表面压缩应力和层深度进行测量。上述测量的结果示于以下表1。

表1

比较例

按照常规方法形成了12件玻璃板。由以下三种玻璃类型中的每一种形成4件玻璃板：玻璃3、玻璃4和碱性铝硅酸盐玻璃(皆由康宁有限公司(Corning)制造)。

通过混合55重量％的KNO₃和45重量％的NaNO₃来制备主离子交换溶液。将该混合物加热至450℃，并且将12件玻璃板单独浸入主离子交换溶液中，并持续以下表2中所示的持续时间。随后，将玻璃板移出主离子交换溶液，并用水冲洗以除去任何残留的离子交换溶液。

通过混合95重量％的KNO₃和5重量％的Ca(NO₃)₂来制备次离子交换溶液。然后将该混合物加热至以下表2所示的温度。随后将玻璃板浸入次离子交换溶液中，并持续以下表2中所示的持续时间。将玻璃板移出次离子交换溶液，并用水冲洗以除去残留的离子交换溶液。

在离子交换处理后立即在折原FSM-6000应力光学计上对每件试样的表面压缩应力和层深度进行测量。上述测量的结果示于以下表2。

表2

如上所述，两阶段离子交换工艺的第二阶段是提供玻璃以压缩应力的阶段。如实施例和比较例所示，可向离子交换溶液添加一价或二价阳离子硝酸盐，以降低两阶段离子交换工艺的第二阶段的操作温度。虽然在实施例中，第二阶段离子交换工艺的操作温度比常规离子交换工艺中的更低，但玻璃的层深度和压缩应力与在第二阶段中使用常规离子交换溶液和温度的比较例的玻璃中的层深度和压缩应力大致相同或更大。因此，实施例和比较例显示，可使用低温离子交换工艺来形成具有高压缩应力和层深度的玻璃。

本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，且这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (25)

1.一种对玻璃进行化学强化的方法，所述方法包括：

将离子交换溶液加热至低于约360℃的温度；以及

在所述温度下使所述玻璃与所述离子交换溶液接触约0.5小时-约24小时的持续时间，

其中，所述离子交换溶液包含主硝酸盐成分和约1重量％-约10重量％的至少一种不同于所述主硝酸盐成分的一价或二价阳离子硝酸盐成分。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述离子交换溶液加热至约310℃-约350℃的温度。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一种一价或二价阳离子硝酸盐成分选自下组：Ca(NO₃)₂、LiNO₃、Mg(NO₃)₂和Sr(NO₃)₂。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一种一价或二价阳离子硝酸盐成分为Ca(NO₃)₂。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述主硝酸盐成分为KNO₃，且所述离子交换溶液包含约90重量％-约99重量％的KNO₃。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述离子交换溶液包含约3重量％-约6重量％的至少一种一价或二价阳离子硝酸盐成分。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述持续时间约为1小时-约4小时。

8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述持续时间长于约8小时。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述玻璃与所述离子交换溶液的接触在所述玻璃的表面上形成压缩应力层，且

所述压缩应力层具有大于约850MPa的表面压缩应力。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述压缩应力层具有约850MPa-约1200MPa的压缩应力。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述压缩应力层的深度大于约40μm。

12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述玻璃是厚度小于约1mm的玻璃板。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述玻璃与所述离子交换溶液的接触在所述玻璃的表面上形成压缩应力层，且

所述压缩应力层具有约250MPa-约850MPa的表面压缩应力。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述压缩应力层的深度小于约30μm。

15.一种对玻璃进行化学强化的方法，所述方法包括：

将第一离子交换溶液加热至约390℃-约480℃的第一温度；

在所述第一温度下使所述玻璃与所述第一离子交换溶液接触约5小时-约45小时的持续时间，

将第二离子交换溶液加热至低于约360℃的第二温度；以及

在所述第二温度下使所述玻璃与所述第二离子交换溶液接触约0.5小时-约24小时的持续时间，其中，

在所述玻璃在所述第二温度下与所述第二离子交换溶液接触之前，使所述玻璃在所述第一温度下与所述第一离子交换溶液接触，且

所述第二离子交换溶液包含主硝酸盐和约1重量％-约10重量％的至少一种不同于所述主硝酸盐的一价或二价阳离子硝酸盐成分。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述第二离子交换溶液加热至约310℃-约350℃的第二温度。

17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述至少一种一价或二价阳离子硝酸盐成分选自下组：Ca(NO₃)₂、LiNO₃、Mg(NO₃)₂和Sr(NO₃)₂。

18.如权利要求15-17中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一种一价或二价阳离子硝酸盐成分为Ca(NO₃)₂。

19.如权利要求15-18中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一离子交换溶液包含约50重量％-约100重量％的KNO₃。

20.如权利要求15-19中任一项所述的方法，其特征在于，使所述玻璃与所述第一离子交换溶液和所述第二离子交换溶液的接触在所述玻璃的表面上形成压缩应力层，且

所述压缩应力层具有大于约850MPa的表面压缩应力。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述压缩应力层具有约850MPa-约1200MPa的表面压缩应力。

22.如权利要求20或21所述的方法，其特征在于，所述压缩应力层的深度大于约40μm。

23.如权利要求15-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述玻璃是厚度小于约1mm的玻璃板。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述玻璃与所述离子交换溶液的接触在所述玻璃的表面上形成压缩应力层，且

所述压缩应力层具有约250MPa-约850MPa的表面压缩应力。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述压缩应力层的深度小于约30μm。