CN111315697A - 具有高液相线粘度的过铝质锂铝硅酸盐 - Google Patents

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Abstract

本文所述的实施方式涉及玻璃制品，其包括具有高液相线粘度的机械耐久性玻璃组合物。所述玻璃制品可以包含具有下述物质的玻璃组合物：50摩尔％至80摩尔％的SiO2；7摩尔％至25摩尔％的Al2O3；2摩尔％至约14摩尔％的Li2O；0.4摩尔％的P2O5；以及小于或等于0.5摩尔％的ZrO2。(Al2O3(摩尔％)‑R2O(摩尔％)‑RO(摩尔％))的量大于零，其中，R2O(摩尔％)是玻璃组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和。(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))的摩尔比可以大于或等于0.5。在实施方式中，玻璃组合物可以包含B2O3。所述玻璃组合物可熔合成形并且具有高的抗损坏性。

Description

具有高液相线粘度的过铝质锂铝硅酸盐
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2017年10月31日提交的系列号为62/579,374的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。
技术领域
本说明书一般涉及玻璃组合物，更具体而言，涉及具有高液相线粘度和高抗断裂性的过铝质锂铝硅酸盐玻璃组合物。
背景技术
由于玻璃相对于其他材料来说具有光学性质和优异的化学耐久性，因此历史上，已将玻璃用作电子装置的盖板玻璃。特别地，强化玻璃已被确定用于电子装置以及其他应用。随着强化玻璃的应用不断增加，开发完好率提高的强化玻璃材料变得更加重要，当玻璃材料受到“现实世界”使用和应用中经历的硬/尖锐表面(例如沥青或混凝土)所造成的拉伸应力时，尤为如此。然而，具有高抗断裂性的某些类型的强化玻璃也展现出高的液相线温度和低的液相线粘度。一些具有低液相线粘度的玻璃组合物不适于通过下拉成形工艺，例如熔合下拉工艺来制造。
发明内容
因此，需要展现出高抗断裂性和机械耐久性，并且具有相对较高的液相线粘度(例如，大于20kP)从而能够使玻璃组合物通过熔合成形工艺来成形的玻璃组合物。
根据第1个实施方式，一种玻璃制品包括一种组合物，所述组合物包含：大于或等于50摩尔％且小于或等于80摩尔％的SiO2，大于或等于7摩尔％且小于或等于25摩尔％的Al2O3，大于或等于2摩尔％且小于或等于14摩尔％的Li2O，大于或等于0.4摩尔％且小于或等于10摩尔％的P2O5，以及小于或等于0.5摩尔％的ZrO2。所述组合物的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％))大于零，其中，R2O(摩尔％)是组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和。
在根据第1个实施方式所述的第2个实施方式中，其中，组合物中的(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))的摩尔比大于或等于0.5。在根据前述任一个实施方式所述的第3个实施方式中，所述组合物的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))大于或等于-2摩尔％。在根据前述任一个实施方式所述的第4个实施方式中，所述组合物的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))小于或等于2摩尔％。在根据前述任一个实施方式所述的第5个实施方式中，所述组合物的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))大于或等于-2摩尔％且小于或等于2摩尔％。
在根据前述任一个实施方式所述的第6个实施方式中，所述组合物的液相线温度低于或等于1300℃。在根据前述任一个实施方式所述的第7个实施方式中，所述组合物还具有大于20kP的液相线粘度。在根据前述任一个实施方式所述的第8个实施方式中，所述组合物的液相线粘度可以大于50kP。
在根据前述任一个实施方式所述的第9个实施方式中，所述组合物可以包含小于或等于14摩尔％的R2O。在根据前述任一个实施方式所述的第10个实施方式中，所述组合物还可以包含大于或等于7摩尔％且小于或等于14摩尔％的R2O。在根据前述任一个实施方式所述的第11个实施方式中，所述组合物还可以包含小于或等于2.5摩尔％的K2O。在根据前述任一个实施方式所述的第12个实施方式中，所述组合物还可以包含大于或等于3摩尔％且小于或等于15摩尔％的B2O3。在根据前述任一个实施方式所述的第13个实施方式中，其中，所述组合物的(Li2O(摩尔％)+Al2O3(摩尔％))大于或等于两倍的B2O3(摩尔％)。
在根据前述任一个实施方式所述的第14个实施方式中，所述组合物还可以包含大于或等于0.1摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O。在根据前述任一个实施方式所述的第15个实施方式中，所述组合物还可以包含大于0摩尔％且小于或等于5摩尔％的MgO。在根据前述任一个实施方式所述的第16个实施方式中，所述组合物还可以包含大于0摩尔％且小于或等于5摩尔％的ZnO。在根据前述任一个实施方式所述的第17个实施方式中，所述组合物还可以包含大于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的CaO。在根据前述任一个实施方式所述的第18个实施方式中，所述组合物还可以包含大于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的SrO。在根据前述任一个实施方式所述的第19个实施方式中，所述组合物还可以包含小于或等于0.35摩尔％的SnO2。在根据前述任一个实施方式所述的第20个实施方式中，所述组合物可以基本上不含BaO。
在第21个实施方式中，一种玻璃制品包括一种组合物，所述组合物包含大于或等于50摩尔％且小于或等于80摩尔％的SiO2、大于或等于7摩尔％且小于或等于25摩尔％的Al2O3、大于或等于2摩尔％且小于或等于14摩尔％的Li2O、大于或等于3摩尔％且小于或等于15摩尔％的B2O3、大于或等于0.1摩尔％的Na2O以及大于或等于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的TiO2。所述组合物的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％))大于或等于零，其中，R2O(摩尔％)是组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和。所述组合物还具有小于或等于2的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))，并且R2O(摩尔％)小于或等于14摩尔％。
在根据第21个实施方式所述的第22个实施方式中，所述组合物的(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))的摩尔比可以大于或等于0.5。在根据第21或22个实施方式所述的第23个实施方式中，所述组合物还可以包含大于或等于0.4摩尔％且小于或等于10摩尔％的P2O5。在根据第21至23个实施方式中的任一个实施方式所述的第24个实施方式中，所述组合物的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))可以大于或等于-2。
在根据第21至24个实施方式中的任一个实施方式所述的第25个实施方式中，其中，(Li2O(摩尔％)+Al2O3(摩尔％))大于或等于两倍的B2O3(摩尔％)。在根据第21至26个实施方式中任一个实施方式所述的第26个实施方式中，其中，所述组合物还包含大于或等于1.5摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O。在根据第21至26个实施方式中任一个实施方式所述的第27个实施方式中，其中，所述组合物还包含小于或等于0.35摩尔％的SnO2。在根据第21至27个实施方式中的任一个实施方式所述的第28个实施方式中，其中，所述组合物的液相线温度低于或等于1300℃。在根据第21至28个实施方式中的任一个实施方式所述的第29个实施方式中，其中，所述组合物的液相线粘度大于20kP。
在第30个实施方式中，一种玻璃制品包括一种组合物，所述组合物包含大于或等于50摩尔％且小于或等于80摩尔％的SiO2、大于或等于7摩尔％且小于或等于25摩尔％的Al2O3、大于或等于2摩尔％且小于或等于14摩尔％的Li2O、大于或等于0.1摩尔％且小于或等于20摩尔％的B2O3、大于或等于0.1摩尔％且小于或等于20摩尔％的P2O5以及小于或等于1摩尔％的ZrO2。所述组合物的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％))大于零，其中，R2O(摩尔％)是组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和。
在根据第30个实施方式所述的第31个实施方式中，其中，(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))的摩尔比大于或等于0.5。在根据第30或31个实施方式所述的第32个实施方式中，其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))大于或等于-2摩尔％。在根据第30至32个实施方式中的任一个实施方式所述的第33个实施方式中，其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))大于或等于-2摩尔％且小于或等于2摩尔％。在根据第30至33个实施方式中的任一个实施方式所述的第34个实施方式中，其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))大于或等于-2摩尔％且小于或等于2摩尔％。在根据第30至34个实施方式中的任一个实施方式所述的第35个实施方式中，其中，所述组合物包含小于或等于14摩尔％的R2O。在根据第30至35个实施方式中任一个实施方式所述的第36个实施方式中，其中，所述组合物包含大于或等于7摩尔％且小于或等于14摩尔％的R2O。在根据第30至36个实施方式中的任一个实施方式所述的第37个实施方式中，其中，(Li2O(摩尔％)+Al2O3(摩尔％))大于或等于两倍的B2O3(摩尔％)。在根据第30至37个实施方式中的任一个实施方式所述的第38个实施方式中，其中，所述组合物还包含大于或等于1摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O。在根据第30至38个实施方式中的任一个实施方式所述的第39个实施方式中，其中，所述组合物还包含大于0摩尔％且小于或等于0.35摩尔％的SnO2。在根据第30至39个实施方式中的任一个实施方式所述的第40个实施方式中，其中，所述组合物的液相线温度低于或等于1300℃。在根据第30至40个实施方式中的任一个实施方式所述的第41个实施方式中，其中，所述组合物的液相线粘度大于20kP。
在第42个实施方式，一种玻璃制品包括一种组合物，所述组合物包含：大于或等于50摩尔％且小于或等于80摩尔％的SiO2；大于或等于2摩尔％且小于或等于25摩尔％的Al2O3；大于或等于2摩尔％且小于或等于15摩尔％的Li2O；其中，SiO2(摩尔％)≥[4*Li2O+6*(Na2O+K2O)+2.5*MgO+2*(CaO+SrO+BaO)](摩尔％)，其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％))大于零，其中，R2O(摩尔％)是组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和，其中，(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))的摩尔比大于或等于0.35，其中，P2O5(摩尔％)/[(Al2O3-R2O–RO)](摩尔％)大于或等于0.25，其中，TiO2(摩尔％)+ZrO2(摩尔％)大于或等于0摩尔％且小于或等于1摩尔％，其中，稀土金属氧化物的总含量大于或等于0摩尔％且小于或等于0.5摩尔％，并且其中，A大于或等于17，其中：
A＝13.2+P*[(1/673–1(A.P.+273))]，
P＝0.6/[(1/(A.P.+273))–(1/(T12+273))]，
A.P.是退火点，单位为℃，并且
T12是对应于玻璃的粘度为1012泊时的温度，单位为℃。
在根据第42个实施方式所述的第43个实施方式中，其中，P2O5(摩尔％)/[(Al2O3-R2O–RO)](摩尔％)大于或等于0.8且小于或等于1.25。在根据第42个实施方式所述的第44个实施方式中，其中，P2O5(摩尔％)/[(Al2O3-R2O–RO)](摩尔％)大于或等于0.9且小于或等于1.1。在根据第42至44个实施方式中的任一个实施方式所述的第45个实施方式中，其中，杨氏模量大于或等于70GPa。在根据第42至44个实施方式中的任一个实施方式所述的第46个实施方式中，其中，杨氏模量大于或等于80GPa。在根据第42至46个实施方式中的任一个实施方式所述的第47个实施方式中，其中，断裂韧度大于或等于0.7MPa*m1/2。在根据第42至46个实施方式中的任一个实施方式所述的第48个实施方式中，其中，断裂韧度大于或等于0.8MPa*m1/2。在根据第42至48个实施方式中的任一个实施方式所述的第49个实施方式中，其中，A大于或等于19。
在第50个实施方式中，一种消费电子产品包括具有前表面、后表面和侧表面的壳体；以及至少部分位于所述壳体内的电学部件，所述电学部件至少包括控制器、存储器和显示器，所述显示器位于所述壳体的前表面处或者毗邻所述壳体的前表面。所述消费电子产品还包括设置在显示器上方的盖板基材。所述壳体的一部分或者所述盖板基材中的至少一者包括如本文公开的任一个实施方式所述的玻璃制品。
在以下的具体实施方式中给出了另外的特征和优点，其中的部分特征和优点对于本领域的技术人员而言通过所作描述是显而易见的，或者通过实施本文所述的实施方式，包括以下的具体实施方式、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，前述的一般性描述和下文的具体实施方式都描述了各个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个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个实施方式，并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
图1图示了在离子交换强化后，本发明的玻璃组合物的厚度(y轴)上的应力(x轴)分布；
图2A是包含本文公开的任一种玻璃制品的示例性电子装置的平面图；以及
图2B是图2A的示例性电子装置的透视图。
具体实施方式
现将详细参考展现出改进的掉落性能和更大的液相线粘度的玻璃组合物的各个实施方式，这提供了可通过熔合下拉成形工艺生产的机械耐久性更强的玻璃。这种玻璃组合物适用于各种应用，包括但不限于作为电子器件的盖板玻璃。所述玻璃组合物还可以经过化学强化，从而赋予玻璃增加的机械耐久性。本文所述的玻璃组合物一般可描述为过铝质锂铝硅酸盐。因此，本文所述的玻璃组合物包含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化锂(Li2O)。在一些实施方式中，所述玻璃组合物还可以包含除氧化锂之外的碱金属氧化物(例如，如Na2O和/或K2O)，以及包含碱土金属氧化物(例如，如MgO和/或CaO)，其量使得玻璃组合物具有化学和机械耐久性，并且液相线粘度足以允许使用熔合下拉成形工艺来生产所述玻璃组合物。另外，玻璃组合物中存在的碱金属氧化物促进了通过离子交换对玻璃组合物进行化学强化。在一些实施方式中，所述玻璃组合物可以包含P2O5、B2O3、或者P2O5和B2O3二者，其可以被包含到玻璃组合物中以提高液相线粘度、抗损坏性或同时提高液相线粘度和抗损坏性。本文将描述玻璃组合物的各个实施方式并且参考具体的实例来进一步说明。
如本文所用的术语“软化点”是指玻璃组合物的粘度为107.6泊时的温度。
如本文所用的术语“退火点”是指根据ASTM C598-93确定的温度，在该温度下，给定玻璃组合物的玻璃粘度为约1013.2泊。
如本文所用的术语“T12”是指根据ASTM C598-93确定的温度，在该温度下，给定玻璃组合物的玻璃粘度为约1012泊。
如本文所用的术语“应变点”和“T应变”是指根据ASTM C598-93确定的温度，在该温度下，给定玻璃组合物的玻璃粘度为约1014.7泊。
术语“液相线温度”是指某温度，在高于该温度时，玻璃组合物完全为液体并且玻璃的组成组分没有结晶。玻璃的液相线温度根据题为“用于通过梯度炉法测量玻璃的液相线温度的标准实践(Standard Practice for Measurement of Liquidus Temperature ofGlass by the Gradient Furnace Method)”的ASTM C829-81(2015)来测量。
术语“液相线粘度”是指玻璃组合物在玻璃组合物的液相线温度下的粘度。玻璃在该液相线温度的液相线粘度根据题为“用于测量高于软化点的玻璃的粘度的标准实践(Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the SofteningPoint)”的ASTM C965-96(2012)来测量。
如本文所用的术语“CTE”是指在室温(RT)至300℃的温度范围内，玻璃组合物的线性热膨胀系数，并且其根据ASTM E228-11使用推杆式膨胀计来确定。
在本文所述的玻璃组合物的实施方式中，除非另有说明，否则组成组分(例如SiO2、Al2O3等)的浓度基于氧化物计的摩尔百分比(摩尔％)来规定。玻璃组合物中的成分的摩尔百分比是指每单位摩尔的玻璃组合物中的成分的摩尔数乘以100。
如本文所用的术语“过铝质”是指Al2O3(摩尔％)大于R2O摩尔％(碱金属氧化物)和RO摩尔％(碱性氧化物和ZnO)之和的玻璃。
当使用术语“不含”和“基本上不含”来描述玻璃组合物中的具体组成组分的浓度和/或描述其不存在于玻璃组合物中时，意为该组成组分不是被有意加入到玻璃组合物中的。然而，玻璃组合物可以含有作为污染物或夹杂物的痕量组成组分，其量小于0.05摩尔％。
当使用术语“夹杂物”来描述玻璃组合物中的特定的组成组分时，其是指并非有意加入到玻璃组合物中并且存在的量小于0.05摩尔％的组成组分。夹杂物组分可以作为另一种组成组分中的杂质被无意地添加到玻璃组合物中，或者在玻璃组合物的加工期间通过夹杂物组分迁移到玻璃组合物中而被无意地添加到玻璃组合物中。
本文所述的玻璃组合物是过铝质锂铝硅酸盐玻璃组合物，其一般可以包括SiO2、Al2O3和Li2O的组合，并且在一些实施方式中，可以包括额外的碱金属氧化物Na2O和/或K2O。所述玻璃组合物适于通过离子交换来化学强化，并且液相线粘度足够地高以使得玻璃组合物可以通过熔合下拉成形工艺来形成。在离子交换后，得到的玻璃展现出比用于便携式电子器件的常规盖板玻璃更强的掉落性能。在一些实施方式中，所述玻璃组合物还可以包含P2O5、B2O3、至少一种碱土金属氧化物或它们的组合。可以添加这些组分以进一步增加液相线粘度和/或改进玻璃的机械耐久性和掉落性能。在一些实施方式中，如本文所述，所述玻璃组合物还可以包含较少量的一种或多种额外的氧化物，例如SnO2、ZrO2、ZnO、TiO2、As2O3等。可以添加这些组分来作为澄清剂并且/或者进一步增强所得玻璃的化学耐久性。
在本文所述的玻璃组合物的实施方式中，SiO2是组合物中的最大成分，因此，是所得的玻璃网络中的主要成分。SiO2增强了玻璃的化学耐久性以及玻璃组合物在酸中的抗分解性和玻璃组合物在水中的抗分解性。如果SiO2的含量过低，则玻璃的化学耐久性和耐化学性可能降低，并且玻璃可能易受腐蚀。因此，通常期望高的SiO2浓度。但是，如果SiO2的含量过高，则可降低玻璃的成形性，因为更高的SiO2浓度增加了玻璃熔化的难度，这进而不利地影响玻璃的成形性。在本文所述的实施方式中，玻璃组合物一般包含以下量的SiO2：大于或等于50摩尔％且小于或等于约80摩尔％，小于或等于75摩尔％，小于或等于74摩尔％，小于或等于72摩尔％，或者甚至小于或等于70摩尔％，以及其间的任何范围或子范围。在一些实施方式中，所述玻璃组合物中的SiO2的量可以大于约58摩尔％，大于约65摩尔％，或者甚至是大于约67摩尔％。在一些其他实施方式中，所述玻璃组合物中的SiO2的量可以大于70摩尔％，大于72摩尔％，或者甚至是大于74摩尔％。例如，在一些实施方式中，所述玻璃组合物可以包含约58摩尔％至约80摩尔％、约58摩尔％至约75摩尔％、约58摩尔％至约74摩尔％、约58摩尔％至约72摩尔％、或者甚至是约58摩尔％至约70摩尔％的SiO2。在一些其他实施方式中，所述玻璃组合物可以包含约65摩尔％至约80摩尔％，65摩尔％至约75摩尔％、约65摩尔％至约74摩尔％、约65摩尔％至约72摩尔％或者甚至是约65摩尔％至约70摩尔％的SiO2。在一些其他实施方式中，所述玻璃组合物可以包含约67摩尔％至约80摩尔％、约67摩尔％至约75摩尔％、约67摩尔％至约74摩尔％、约67摩尔％至约72摩尔％、或者甚至是约67摩尔％至约70摩尔％的SiO2。在其他实施方式中，所述玻璃组合物可以包含大于或等于58摩尔％且小于或等于74摩尔％的SiO2。在一些实施方式中，所述玻璃组合物包含大于或等于65摩尔％且小于或等于72摩尔％的SiO2。在其他实施方式中，所述玻璃组合物可以包含大于或等于67摩尔％且小于或等于70摩尔％的SiO2。在一些实施方式中，玻璃中的SiO2的摩尔％满足以下关系：SiO2(摩尔％)≥[4*Li2O+6*(Na2O+K2O)+2.5*MgO+2*(CaO+SrO+BaO)](摩尔％)。不囿于理论，认为二氧化硅含量应满足上述关系以防止富氧化铝的耐火矿物结晶。
本文所述的玻璃组合物还可以包括Al2O3。Al2O3连同玻璃组合物中存在的碱金属氧化物(例如Li2O等)提高了玻璃对离子交换强化的易受性。更具体地，增加玻璃组合物中的Al2O3的量增大了玻璃中的离子交换的速度并且增加了因为离子交换而在玻璃的压缩层中产生的压缩应力。相比于未被Al2O3补偿的碱金属氧化物，用Al2O3补偿的碱金属氧化物在离子交换期间展现出更大的移动性。Al2O3还可以增加玻璃的硬度和抗损坏性。然而，玻璃的液相线粘度随着玻璃组合物中的Al2O3的浓度增加而降低。如果玻璃组合物中的Al2O3的浓度过大，则玻璃组合物的液相线粘度降低，这可造成玻璃组合物在熔合下拉工艺中的生产期间结晶。在本文所述的实施方式中，存在于玻璃组合物中的Al2O3以Al2O3(摩尔％)计，而存在于玻璃组合物中的碱金属氧化物以R2O(摩尔％)计，其中，R2O(摩尔％)等于Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔分数之和。
在一些实施方式中，玻璃组合物中的摩尔比(Al2O3(摩尔％))/(R2O(摩尔％))大于或等于1，以用Al2O3完全补偿碱金属氧化物并且促进上述对离子交换强化的易受性。换言之，玻璃组合物可以具有大于或等于零的(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％))，其中，R2O是玻璃组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和。具体地，玻璃组合物的扩散系数或扩散率D与离子交换期间碱金属离子渗透到玻璃表面中的速率有关。相比于具有相同的总碱金属含量(R2O(摩尔％))但是比值(Al2O3(摩尔％))/(R2O(摩尔％))小于1或大于1的玻璃，比值(Al2O3(摩尔％))/(R2O(摩尔％))等于1的玻璃组合物中的碱金属氧化物离子穿过玻璃组合物的扩散率(即，移动性)更大。对于给定的离子交换浸没时间和离子交换温度，相比于碱金属离子具有更低扩散率的玻璃，碱金属离子具有更大扩散率的玻璃可获得更大的层深度。
在本文所述的实施方式中，在玻璃组合物中可以存在碱土金属氧化物(例如，BeO、MgO、CaO、SrO和BaO)和/或氧化锌(ZnO)。碱土金属氧化物和ZnO在玻璃组合物中的总量可以为RO(摩尔％)。不具有BeO和ZnO情况下的碱土金属氧化物的总量(即，RO(摩尔％)–BeO(摩尔％)–ZnO(摩尔％))可以为A摩尔％。增加玻璃组合物中的Al2O3的量提高了玻璃组合物中的离子交换。然而，当Al2O3(摩尔％)超过(R2O(摩尔％)+RO(摩尔％))超过1或2摩尔％时，液相线温度迅速升高。BeO和ZnO可能不如其他碱土金属氧化物那么有活性，并且对离子交换特性或液相线温度的影响不如其他碱土金属氧化物那么大。因此，当Al2O3(摩尔％)也超过(R2O(摩尔％)+A(摩尔％))时，液相线温度可迅速升高。随着玻璃的液相线温度升高，玻璃的液相线粘度减小。如果玻璃组合物中的Al2O3的量过高，则液相线温度升高到因玻璃失透而使得玻璃不再可以熔合下拉工艺来熔合成形的点。失透是指成形期间，玻璃组合物的一种或多种成分结晶(例如，形成方石英、锂辉石、莫来石、金红石、刚玉、其他结晶成分或其组合)。因此，在一些实施方式中，玻璃组合物中的Al2O3(摩尔％)可以不比(R2O(摩尔％)+RO(摩尔％))或(R2O(摩尔％)+A(摩尔％))之和多超过10摩尔％。在一些实施方式中，Al2O3(摩尔％)不比(R2O(摩尔％)+RO(摩尔％))或(R2O(摩尔％)+A(摩尔％))之和多超过5摩尔％，多超过2摩尔％，或者甚至多超过1摩尔％。例如，玻璃组合物的(Al2O3(摩尔％)–R2O(摩尔％)–RO(摩尔％))可以小于或等于10摩尔％，小于或等于5摩尔％，小于或等于2摩尔％，或者甚至是小于或等于1摩尔％，其中，RO(摩尔％)是BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和。在一些实施方式中，(Al2O3(摩尔％)–R2O(摩尔％)–RO(摩尔％))可以大于0摩尔％且小于或等于10摩尔％，大于0摩尔％且小于或等于5摩尔％，大于0摩尔％且小于或等于2摩尔％，或者甚至是大于0摩尔％且小于或等于1摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物可以基本上不含磷氧化物(P2O5)。在玻璃组合物中不存在P2O5用于补偿过量Al2O3的这些实施方式中，玻璃组合物中的(Al2O3(摩尔％)–R2O(摩尔％)–RO(摩尔％))的量可以小于或等于4摩尔％，小于或等于2摩尔％或者甚至于是小于或等于1摩尔％。
本文所述的玻璃组合物一般包括以下量的Al2O3：大于或等于约2摩尔％且小于或等于约25摩尔％，或者大于或等于约7摩尔％且小于或等于约25摩尔％，以及其间的任何范围或子范围。在一些实施方式中，所述玻璃组合物中的Al2O3的量可以大于或等于约10摩尔％且小于或等于约18摩尔％。在一些其他实施方式中，所述玻璃组合物中的Al2O3的量可以是大于或等于约12摩尔％至小于或等于约16摩尔％。在一些其他实施方式中，所述玻璃组合物中的Al2O3的量可以是大于或等于约10摩尔％至小于或等于约16摩尔％。在其他实施方式中，所述玻璃组合物中的Al2O3的量可以是大于或等于约12摩尔％至小于或等于约18摩尔％。
所述玻璃组合物还包括一种或多种碱金属氧化物。碱金属氧化物促进玻璃组合物的可离子交换性，并由此促进对玻璃的化学强化。碱金属氧化物可以包括Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O中的一种或多种。如前所述，碱金属氧化物一般在玻璃组合物中以总浓度R2O摩尔％存在。增加碱金属氧化物的量提高了所得玻璃中的离子交换。但是如果碱金属氧化物的量过高，例如，高于14摩尔％，则玻璃组合物的液相线粘度降低。当液相线粘度降低时，降低熔融玻璃组合物的温度以增加用于熔合成形的粘度使得在成形期间玻璃组合物失透。因此，在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有小于或等于14摩尔％的R2O(摩尔％)。在一些实施方式中，所述玻璃组合物可以包含大于或等于7(摩尔％)且小于或等于14(摩尔％)的R2O。
由本文所述的玻璃组合物形成的玻璃的可离子交换性主要通过在离子交换前初始存在于玻璃组合物中的碱金属氧化物Li2O的量来提供给玻璃。因此，在本文所述的玻璃组合物的实施方式中，玻璃组合物中存在的碱金属氧化物至少包括Li2O。锂离子比其他碱金属离子小，例如，比钠离子(Na+)、钾离子(K+)、铷离子(Rb+)和铯离子(Cs+)小。当由包含Li2O的玻璃组合物所形成的玻璃与钠或钾离子进行离子交换时，相比于钠和/或钾离子与另外的钠或钾离子的离子交换，迅速发生较大的钠和/或钾离子对较小的锂离子的离子交换。因此，相对于其他碱金属氧化物，玻璃组合物中的更大的Li2O的量使得所得玻璃具有更佳的离子交换性能。例如，相比于玻璃中的其他碱金属离子与钠和/或钾离子的离子交换，玻璃中的锂离子与钠和/或钾离子的离子交换使得玻璃得到了更大的压缩应力和更大的压缩层深度。当用钠离子对玻璃进行离子交换时，玻璃中的Li2O的量相对于其他碱金属氧化物越大，则表面上的压缩应力越大。另外，碱金属氧化物可以在玻璃网络中产生非桥连氧，其可降低化学耐久性，降低粘度，并且使离子交换过程变慢。因此，为了在离子交换强化后在玻璃中实现所需的压缩强度和层深度，在实施方式中，玻璃组合物中的Li2O与总R2O的摩尔比大于或等于0.35，其中，R2O是玻璃组合物中的碱金属氧化物Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的总摩尔量(即，(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))大于或等于0.35)。如果玻璃组合物中的Li2O与R2O的摩尔比小于0.35，则由离子交换得到的压缩应力减小，结果得到更弱的玻璃并使玻璃的掉落性能下降。在一些实施方式中，玻璃组合物中的Li2O与R2O的摩尔比可以大于或等于0.4、大于或等于0.5、大于或等于0.6、大于或等于0.7或者甚至大于或等于0.8。
具体地，为了在离子交换强化后在玻璃中实现所需的压缩应力和压缩深度，在实施方式中，玻璃组合物包括的Li2O的量为约2摩尔％至约15摩尔％，或约2摩尔％至约14摩尔％，以及其间的所有范围和子范围。如果玻璃组合物中的Li2O的量过低，例如小于2摩尔％，则玻璃中的离子交换速率下降，并且通过离子交换在玻璃中产生的压缩应力也减小。如果玻璃组合物中的Li2O的量过高，例如大于14摩尔％或15摩尔％，则玻璃组合物的液相线粘度降低，并且玻璃在熔合成形期间可能结晶。在一些实施方式中，玻璃组合物包含至少约4摩尔％的Li2O。例如，玻璃组合物中的Li2O的浓度可以大于5摩尔％，或大于6摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有大于或等于4摩尔％的Li2O，大于或等于5摩尔％的Li2O，或者甚至是大于或等于6摩尔％的Li2O。在一些实施方式中，玻璃组合物包含小于约12摩尔％的Li2O，小于约10摩尔％的Li2O，或者甚至是小于约9摩尔％的Li2O。在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有小于或等于14摩尔％的Li2O，小于或等于12摩尔％的Li2O，小于或等于10摩尔％的Li2O，或者甚至是小于或等于9摩尔％的Li2O。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于或等于2摩尔％且小于或等于14摩尔％的Li2O，大于或等于4摩尔％且小于或等于12摩尔％的Li2O，大于或等于5摩尔％且小于或等于10摩尔％的Li2O，或者甚至大于或等于6摩尔％且小于或等于9摩尔％的Li2O。
如上所述，玻璃组合物中的碱金属氧化物还可以包括Na2O。玻璃组合物中存在的Na2O的量也与由玻璃组合物制成的玻璃的可离子交换性有关。具体地，在玻璃组物中存在Na2O可以通过增加离子穿过玻璃基质的扩散率来增加玻璃的离子交换强化期间的离子交换速率。然而，随着玻璃组合物中存在的Na2O的量增加，由于钠离子与另外的钠离子的交换，因此通过离子交换在玻璃中可获得的压缩应力减小。例如，钠离子与尺寸相同的另一个钠离子的离子交换使得压缩层中的压缩应力没有净增加。因此，增加玻璃组合物中的Na2O的量降低了玻璃中通过离子交换产生的压缩应力。因此，期望限制玻璃组合物中存在的Na2O的量。在一些实施方式中，Na2O的量大于或等于0摩尔％且小于或等于6摩尔％，以及其间的所有范围和子范围。在一些实施方式中，玻璃组合物包含至少约0.1摩尔％的Na2O。例如，玻璃组合物可以具有大于或等于0.1摩尔％的Na2O，大于或等于0.2摩尔％的Na2O，大于或等于0.3摩尔％的Na2O，大于或等于0.5摩尔％的Na2O，大于或等于1摩尔％的Na2O，或者甚至大于或等于1.5摩尔％的Na2O。在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含小于或等于6摩尔％的Na2O，小于或等于5摩尔％的Na2O，或者甚至小于或等于约4摩尔％的Na2O。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于或等于0摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O，大于或等于0.1摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O，大于或等于0.2摩尔％且小于或等于5摩尔％的Na2O，大于或等于0.3摩尔％且小于或等于4摩尔％的Na2O，大于或等于0.5摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O，大于或等于1摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O，或者大于或等于1.5摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在Na2O。然而，当在玻璃组合物中包含Na2O时，玻璃组合物中的Na2O的量一般小于约6摩尔％。
如上所述，玻璃组合物中的碱金属氧化物还可以包括K2O。玻璃组合物中存在的K2O的量也与玻璃组合物的可离子交换性有关。具体地，随着玻璃组合物中存在的K2O的量增加，由于钾和钠离子的交换，因此通过离子交换在玻璃中可获得的压缩应力减小。因此，期望限制玻璃组合物中存在的K2O的量。在一些实施方式中，玻璃组合物中的K2O的量大于或等于0摩尔％且小于或等于2.5摩尔％，以及其间的所有范围和子范围。在一些实施方式中，玻璃组合物中的K2O的量小于或等于1摩尔％，或者甚至小于或等于0.25摩尔％。在实施方式中，玻璃组合物可以包含大于或等于约0.01摩尔％且小于或等于约2.5摩尔％的K2O，大于或等于约0.01摩尔％且小于或等于约1摩尔％的K2O，或者甚至大于或等于约0.01摩尔％且小于或等于约0.25摩尔％的K2O。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在K2O。然而，当在玻璃组合物中包含K2O时，K2O的量一般小于约2.5摩尔％。
玻璃组合物还可以包括磷氧化物(P2O5)。P2O5的存在通过抑制玻璃组合物中的莫来石结晶而增加了玻璃组合物的液相线粘度。当Al2O3的量比玻璃组合物中的碱金属氧化物(R2O摩尔％)和碱土金属氧化物(RO摩尔％)之和大超过2摩尔％，或者甚至超过1摩尔％时，玻璃组合物的液相线温度迅速升高。当Al2O3(摩尔％)比(R2O(摩尔％)+RO(摩尔％))多超过1摩尔％时，玻璃组合物中的P2O5的存在通过降低液相线温度并因此增加玻璃组合物的液相线粘度而补偿了过量的Al2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可具有足以补偿过量Al2O3的P2O5的量。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有足够的P2O5的量，使得(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))小于或等于2或者甚至小于或等于1。在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有一定的P2O5的量，使得(Al2O3(摩尔％)–R2O(摩尔％)–RO(摩尔％)–P2O5(摩尔％))大于或等于-2或者甚至大于或等于-1。在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有足够的P2O5的量，使得(Al2O3(摩尔％)–R2O(摩尔％)–RO(摩尔％)–P2O5(摩尔％))大于或等于-2且小于或等于2，或者甚至大于或等于-1且小于或等于1。在一些实施方式中，当P2O5(摩尔％)/[(Al2O3-R2O–RO)](摩尔％)的比值在以下范围时，P2O5的存在还实现了上述效果，所述范围为0.25至1.5、0.25至1.4、0.25至1.3、0.25至1.25、0.25至1.2、0.25至1.1、0.25至1、0.25至0.9、0.25至0.8、0.25至0.7、0.25至0.6、0.5至1.5、0.5至1.4、0.5至1.3、0.5至1.25、0.5至1.2、0.5至1.1、0.5至1、0.5至0.9、0.5至0.8、0.5至0.7、0.5至0.6、0.6至1.5、0.6至1.4、0.6至1.3、0.6至1.25、0.6至1.2、0.6至1.1、0.6至1、0.6至0.9、0.6至0.8、0.6至0.7、0.7至1.5、0.7至1.4、0.7至1.3、0.7至1.25、0.7至1.2、0.7至1.1、0.7至1、0.7至0.9、0.7至0.8、0.8至1.5、0.8至1.4、0.8至1.3、0.8至1.25、0.8至1.2、0.8至1.1、0.8至1、0.8至0.9、0.9至1.5、0.9至1.4、0.9至1.3、0.9至1.25、0.9至1.2、0.9至1.1、或0.9至1，以及其间的所有范围和子范围。在一些实施方式中，玻璃组合物不包含P2O5，并且如前所述，在不存在P2O5时，玻璃组合物的(Al2O3(摩尔％)–R2O(摩尔％)–RO(摩尔％))大于或等于0且小于或等于2，或者甚至大于或等于0且小于或等于1。
P2O5的量也与由玻璃组合物制成的玻璃的可离子交换性有关。增加玻璃组合物中的P2O5的量可以通过在玻璃网络中建立空间而增加玻璃的离子交换速率。P2O5还可以有助于增强由玻璃组合物制成的玻璃的抗损坏性。然而，增加玻璃组合物中的P2O5的量降低了可通过玻璃的离子交换强化获得的压缩应力的量。另外，增加过高的P2O5的量可造成铝磷酸盐(AlPO4)在高温下结晶，这可升高玻璃组合物的液相线温度。如果玻璃组合物中的P2O5的量过高，则玻璃的耐久性可能也降低。因此，可以限制玻璃组合物中的P2O5的总量，例如，如小于或等于20摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物包括的P2O5的量为约0.1摩尔％至约20摩尔％，以及其间的所有范围和子范围。例如，玻璃组合物中的P2O5的量可以大于约0.4摩尔％，大于约1摩尔％，大于约3摩尔％，或者甚至是大于约3.5摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有大于或等于0.1摩尔％的P2O5，大于或等于0.4摩尔％的P2O5，大于或等于1摩尔％的P2O5，大于或等于3摩尔％的P2O5，或者甚至是大于或等于3.5摩尔％的P2O5。在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含小于约20摩尔％的P2O5，小于约10摩尔％的P2O5，小于约8摩尔％的P2O5，小于约6摩尔％的P2O5，或者甚至是小于约5.5摩尔％的P2O5。在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有小于或等于20摩尔％的P2O5，小于或等于10摩尔％的P2O5，小于或等于8摩尔％的P2O5，小于或等于6摩尔％的P2O5,或者甚至是小于或等于5.5摩尔％的P2O5。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于或等于0.1摩尔％且小于或等于20摩尔％的P2O5，大于或等于0.4摩尔％且小于或等于10摩尔％的P2O5，大于或等于1摩尔％且小于或等于8摩尔％的P2O5，大于或等于3摩尔％且小于或等于6摩尔％的P2O5，或者甚至是大于或等于3.5摩尔％且小于或等于5.5摩尔％的P2O5。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在P2O5。然而，当在玻璃组合物中包含P2O5时，玻璃组合物中的P2O5的量一般小于约20摩尔％。
氧化硼(B2O3)是一种熔剂，其可被加入到玻璃组合物中以降低给定温度下(例如，对应于200泊粘度的温度，在该温度下，玻璃熔化并且该温度通常是玻璃熔化炉中的最高温度)玻璃的粘度，从而改进玻璃的品质和可成形性。B2O3的存在也可以提高由玻璃组合物制成的玻璃的抗损坏性。然而，已经发现，B2O3的添加显著降低了玻璃组合物中的钠和钾离子的扩散率，这进而不利地影响所得玻璃的离子交换性能。具体地，已经发现，相对于不含硼的玻璃组合物，B2O3的添加可以增加在玻璃中实现给定层深度所需的时间。B2O3的添加还可使进行离子交换的温度升高，以为了实现在给定的持续时间内在玻璃中达到目标层深度所必需的离子交换速率。
B2O3对玻璃的离子交换性能的影响可以通过向玻璃组合物添加更大量的Li2O和Al2O3来得到补偿，其可以补偿玻璃组合物中的B2O3的存在。例如，已经确定，B2O3对玻璃的离子交换性能的影响可通过控制玻璃组合物中的B2O3的量与Li2O和Al2O3的量之和的比值来减轻。具体地，已经确定，当玻璃组合物中的(Li2O(摩尔％)+Al2O3(摩尔％))之和大于两倍的B2O3(摩尔％)的量时，所得玻璃中的碱金属氧化物的扩散率不减小，由此，玻璃的离子交换性能得到了保持。因此，在一些实施方式中，玻璃组合物中的(Li2O(摩尔％)+Al2O3(摩尔％))/(B2O3(摩尔％))的比值大于或等于2。当玻璃组合物中的(Li2O(摩尔％)+Al2O3(摩尔％))/(B2O3(摩尔％))的比值小于2时，玻璃组合物中的碱金属氧化物的扩散率减小，并且离子交换性能也降低。
在本文所述的实施方式中，玻璃组合物中包括的B2O3的量可以为约0.1摩尔％至约20摩尔％，以及其间的所有范围和子范围。例如，玻璃组合物中的B2O3的量可以大于约0.1摩尔％，大于约3摩尔％，或者甚至是大于约4摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有大于或等于0.1摩尔％的B2O3，大于或等于3摩尔％的B2O3，或者甚至是大于或等于4摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物包含小于约20摩尔％的B2O3，小于约15摩尔％的B2O3，小于约10摩尔％的B2O3，或者甚至是小于约7摩尔％的B2O3。在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含小于或等于20摩尔％的B2O3，小于或等于15摩尔％的B2O3，小于或等于10摩尔％的B2O3，或者甚至是小于或等于7摩尔％的B2O3。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于或等于0.1摩尔％且小于或等于20摩尔％的B2O3，大于或等于3摩尔％且小于或等于15摩尔％的B2O3，大于或等于4摩尔％且小于或等于10摩尔％的B2O3，或者甚至是大于或等于4摩尔％且小于或等于7摩尔％的B2O3。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在B2O3。然而，当在玻璃组合物中包含B2O3时，玻璃组合物中的B2O3的量一般小于约20摩尔％。
在玻璃组合物中可以存在碱土金属氧化物以改进玻璃批料的可熔性并增加所得玻璃的化学耐久性。具体地，少量的碱土金属氧化物的存在可以用于增加玻璃组合物的液相线粘度。但是，玻璃组合物中的过多的碱土金属氧化物造成铝硅酸盐结晶，并因此降低玻璃组合物的液相线粘度。碱土金属氧化物的存在还可影响所得玻璃的离子交换性能。例如，在本文所述的玻璃组合物中，为了提高玻璃的可离子交换性，存在于玻璃组合物中的碱土金属氧化物的总量(以摩尔％计)(即，RO(摩尔％))一般小于存在于玻璃组合物中的碱金属氧化物的总量(以摩尔％计)(即，R2O(摩尔％))。在本文所述的实施方式中，玻璃组合物一般包括约0摩尔％至约5摩尔％的碱土金属氧化物，以及其间的所有范围和子范围。在这些实施方式的一些实施方式中，玻璃组合物中的碱土金属氧化物的量可以为约0摩尔％至约3摩尔％，或者甚至是约0摩尔％至约2摩尔％。
玻璃组合物中的碱土金属氧化物可以包括BeO、MgO、CaO、SrO、BaO或其组合。在一些实施方式中，玻璃组合物可以不含或者基本上不含BaO。在一些实施方式中，碱土金属氧化物可以包括BeO、MgO、CaO、SrO或其组合。例如，在本文所述的实施方式中，碱土金属氧化物可以包括MgO。在实施方式中，玻璃组合物可以包括大于或等于约0摩尔％且小于或等于约5摩尔％的MgO，以及其间的所有范围和子范围。在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％的MgO。在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％且小于或等于约5摩尔％的MgO，大于0摩尔％且小于或等于3摩尔％的MgO，或者甚至大于0摩尔％且小于或等于0.2摩尔％的MgO。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在MgO。然而，当在玻璃组合物中包含MgO时，玻璃组合物中的MgO的量一般小于约5摩尔％。
在一些实施方式中，所述碱土金属氧化物还可以任选地包括CaO。CaO的存在可以增加玻璃组合物的液相线粘度。然而，在玻璃组合物中的过多的CaO可降低所得玻璃中的离子交换速率。在实施方式中，CaO可以约0摩尔％至约4摩尔％以及其间的所有范围和子范围的量存在于玻璃组合物中。例如，玻璃组合物中存在的CaO的量可以小于或等于4摩尔％，小于或等于2摩尔％，或者甚至是小于或等于1摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％的CaO。在这些实施方式的一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％且小于或等于约4摩尔％的CaO。例如，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％且小于或等于约2摩尔％的CaO，或者甚至是大于0摩尔％且小于或等于约1摩尔％的CaO。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在CaO。然而，当在玻璃组合物中包含CaO时，玻璃组合物中的CaO的量一般小于约4摩尔％。
在一些实施方式中，所述碱土金属氧化物还可以任选地包括SrO。SrO的存在可以用于增加玻璃组合物的液相线粘度。然而，在玻璃组合物中的过多SrO可以降低所得玻璃中的离子交换的速率。在实施方式中，SrO可以约0摩尔％至小于或等于4摩尔％以及其间的所有范围和子范围的量存在于玻璃组合物中。例如，玻璃组合物中存在的SrO的量可以小于或等于4摩尔％，小于或等于2摩尔％，或者甚至是小于或等于1摩尔％。在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％的SrO。在这些实施方式的一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％且小于或等于约4摩尔％的SrO。例如，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％且小于或等于约2摩尔％的SrO，或者甚至是大于0摩尔％且小于或等于约1摩尔％的SrO。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在SrO。然而，当在玻璃组合物中包含SrO时，玻璃组合物中的SrO的量一般小于约4摩尔％。
除了SiO2、Al2O3、P2O5、B2O3、碱金属氧化物和碱土金属氧化物之外，本文所述的玻璃组合物可以任选地进一步包括一种或多种澄清剂，例如，SnO2、As2O3和/或Cl-(来自NaCl等)。在玻璃组合物中可以包含澄清剂以在成形期间最大程度地减少或消除玻璃组合物中的气泡。然而，澄清剂在玻璃组合物中一般具有低溶解度。因此，如果玻璃组合物中的澄清剂的量太大，则在熔合成形期间可发生澄清剂的失透。当玻璃组合物中存在澄清剂时，澄清剂可以存在的量小于或等于0.35摩尔％，小于或等于0.2摩尔％，或者甚至是小于或等于0.1摩尔％。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含SnO2作为澄清剂。在这些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于或等于0摩尔％且小于或等于0.35摩尔％的SnO2，大于0摩尔％且小于或等于约0.2摩尔％的SnO2，大于0摩尔％且小于或等于0.1摩尔％的量的SnO2，或者甚至是大于或等于约0.01摩尔％且小于或等于约0.05摩尔％的量的SnO2。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在SnO2或其他澄清剂。然而，当在玻璃组合物中包含SnO2或其他澄清剂时，玻璃组合物中的SnO2和其他澄清剂的总量一般小于约0.35摩尔％。
另外，本文所述的玻璃组合物可以包含一种或多种另外的金属氧化物，以进一步提高所得玻璃的化学耐久性。例如，玻璃组合物还可以任选地包括过渡金属氧化物，例如，ZnO、TiO2、ZrO2或它们的组合。这些金属氧化物中的每一者可以进一步提高玻璃的抗化学侵蚀性。然而，这些额外的金属氧化物在玻璃组合物中不是非常容易溶解，并且往往会结晶，从而导致在熔合成形期间失透。在这些实施方式中，所述额外的金属氧化物可存在的量为大于或等于约0摩尔％且小于或等于约5摩尔％，以及其间的所有范围和子范围。例如，当额外的金属氧化物为ZnO时，ZnO可以大于或等于0摩尔％且小于或等于约5摩尔％，大于或等于0摩尔％且小于或等于3摩尔％，或者甚至是大于或等于0摩尔％且小于或等于2摩尔％的量存在。在一些实施方式中，当额外的金属氧化物为ZrO2或TiO2时，该ZrO2或TiO2可以小于或等于约1摩尔％的量存在。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在这些额外的金属氧化物。然而，当在玻璃组合物中包含ZnO、ZrO2或TiO2时，玻璃组合物中的ZnO、ZrO2和TiO2的总量一般小于约5摩尔％。
在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含一种或多种稀土金属氧化物。稀土金属是指在IUPAC周期表的镧系中列出的金属以及钇和钪。稀土金属氧化物在玻璃组合物中的存在可以增加所得玻璃的模量、刚度或者模量和刚度。稀土金属氧化物还可以有助于增加玻璃组合物的液相线粘度。另外，某些稀土金属氧化物可以使玻璃增添色彩。如果不需要或不期望色彩，则玻璃组合物可以包含氧化镧(La2O3)、氧化钇(Y2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)或它们的组合。对于无色玻璃，稀土金属氧化物可以包含Ce2O3、Pr2O3、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3或它们的组合。在实施方式中，玻璃组合物可以包含的稀土金属氧化物的总量为0摩尔％至4摩尔％，以及其间的所有范围和子范围。例如，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的稀土金属氧化物，大于0摩尔％且小于或等于2摩尔％的稀土金属氧化物，大于0摩尔％且小于或等于1.5摩尔％的稀土金属氧化物，大于0摩尔％且小于或等于1摩尔％的稀土金属氧化物，大于0摩尔％且小于或等于0.5摩尔％的稀土金属氧化物，小于4摩尔％的稀土金属氧化物，小于3摩尔％的稀土金属氧化物，小于2摩尔％的稀土金属氧化物，小于1摩尔％的稀土金属氧化物，或者小于0.5摩尔％的稀土金属氧化物。在一些实施方式中，所述稀土金属氧化物可以包括La2O3。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物可以包含大于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的La2O3。因此，应理解，在玻璃组合物中不必存在稀土金属氧化物。然而，当在玻璃组合物中包含稀土金属氧化物时，玻璃组合物中的稀土金属氧化物的总量一般小于约4摩尔％。
玻璃组合物可以包含小于0.05摩尔％的夹杂化合物，例如，锰化合物、铈化合物、铪(halfnium)化合物或其他化合物，其可作为SiO2、Al2O3、Li2O、P2O5、B2O3、碱金属氧化物、碱性金属氧化物、其他金属氧化物或者玻璃组合物的其他有意包含成分中的杂质进入到玻璃组合物中。夹杂化合物也可以通过与加工设备接触而进入到玻璃组合物中，所述加工设备例如熔合下拉成形工艺中的耐火部件等。
如下所述，本文所述的玻璃组合物可以通过离子交换以在玻璃制品的表面处赋予压缩应力而得到化学强化。然而，在离子交换过程期间，由于被称为应力松弛的过程，在玻璃表面附近形成的压缩应力可能减小，所述应力松弛由玻璃的粘度控制，其中，玻璃的粘度越低，应力松弛得越快，并且化学强化过程的效率越低。在一些实施方式中，可控制玻璃的组成以最大程度地减少应力松弛的影响。玻璃可通过数量A来表征，所述数量A是在等于400℃的温度下的粘度(单位为泊)的对数估算值，所述400℃的温度接近离子交换的最常用温度，其中：
A＝13.2+P*[(1/673–1(A.P.+273))]
其中，P＝0.6/[(1/(A.P.+273))–(1/(T12+273))]，
其中，A.P.是退火点，单位为℃，并且
其中，T12是对应于玻璃的粘度为1012泊时的温度。
在一些实施方式中，当A大于或等于17、大于或等于18、大于或等于19、或者大于或等于20时，应力松弛最小。
本文所述的玻璃组合物通过下述来形成：混合玻璃原料的批料(例如，锂辉石、砂、氧化铝、偏磷酸铝、硼酸、碱金属碳酸盐、碱金属硝酸盐、碱土金属碳酸盐、碱土金属氧化物等的粉末)以使得玻璃原料的批料具有所需的组成。随后，加热玻璃原料的批料以形成熔融玻璃组合物，其之后被冷却并固化而形成玻璃组合物。在固化期间(即，当玻璃组合物可塑性变形时)，可以使用标准成形技术来对玻璃组合物成形，以将玻璃组合物形成为期望的最终形式。或者，可将玻璃制品成形成储存形式，例如片材、带、管等，随后再加热并成形成期望的最终形式。
本文所述的玻璃组合物可以被成形成具有各种形式的玻璃制品，例如，片材、带、管等。然而，考虑到机械耐久性，本文所述的玻璃组合物特别适用于形成电子装置(例如便携式电子装置)的盖板玻璃。另外，可利用通过离子交换来化学强化玻璃组合物的能力来进一步改进由本文公开的玻璃组合物制成的玻璃片和制品的机械耐久性。因此，应理解，在至少一个实施方式中，在电子装置中可引入所述玻璃组合物以提高电子装置的机械耐久性。
熔合下拉工艺是用于将本文所述的熔融玻璃组合物在玻璃组合物的固化期间成形成玻璃片和玻璃带的一种技术。相比于使用其他玻璃带成形工艺，例如浮法和狭缝拉制工艺制造的玻璃带，熔合下拉工艺生产的玻璃片和玻璃带具有相对较低量的缺陷并且表面具有优异的平坦度。因此，熔合下拉工艺广泛用于生产在LED和LCD显示器制造中使用的玻璃基材以及需要优异的平坦度的其他基材。在典型的熔合下拉工艺中，准备并熔化玻璃组合物，并且将熔融玻璃组合物进料到成形主体(也被称为等压槽)中，所述成形主体包括在根部会聚的成形表面。熔融玻璃均匀流过成形主体的成形表面，并且形成具有原始表面的平坦玻璃带。平坦玻璃带以比玻璃在重力下沿着成形主体的成形表面向下流动的速率大的速率被拉制离开成形主体的根部。玻璃组合物的粘度一般随着温度升高而呈指数降低。因此，玻璃组合物的液相线温度可以尽可能得低，以增加液相线温度下的玻璃组合物的粘度(即，液相线粘度)。这确保了玻璃带被拉制离开根部时的速率大于玻璃组合物沿着成形主体的成形表面向下流动时的速率。如果玻璃组合物的液相线温度过高，则液相线粘度变得太低而不能有效地下拉玻璃组合物。将温度降低到低于液相线温度以降低玻璃组合物的粘度造成熔合成形过程期间玻璃组合物失透。熔合成形期间，玻璃组合物的成分的失透导致在玻璃带中，尤其是在玻璃带的表面中具有瑕疵和/或缺陷。另外，成分的结晶也降低了玻璃的可成形性。
如前所述，本文所述的玻璃组合物的液相线温度足够地低，使得玻璃组合物的液相线粘度足够地高而能够通过熔合下拉成形工艺对玻璃组合物进行成形。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物的液相线温度可以低于或等于1300℃。在其他实施方式中，玻璃组合物的液相线温度可以低于或等于1250℃，低于或等于1200℃，或者甚至是低于或等于1150℃。在一些实施方式中，玻璃组合物的液相线温度可以高于或等于1100℃且低于或等于1300℃，高于或等于1100℃且低于或等于1250℃，高于或等于1150℃且低于或等于1300℃，或者高于或等于1150℃且低于或等于1250℃。在实施方式中，玻璃组合物的液相线粘度足以能够使用熔合下拉成形工艺来对玻璃组合物进行成形。例如，在一些实施方式中，玻璃组合物可以具有至少20千泊(kP)(20,000泊(P))或2000帕斯卡秒(Pa-s)的高液相线粘度，其中1kP等于100帕斯卡秒(Pa-s)。在另一些实施方式中，玻璃组合物的液相线粘度为至少50kP、至少100kP、至少200kP、至少300kP、或者甚至是至少500kP。在一些实施方式中，玻璃组合物的液相线粘度可以大于或等于20kP、大于或等于50kP、大于或等于100kP、大于或等于200kP、大于或等于300kP、大于或等于500kP、或者甚至是大于或等于1000kP。在另一些实施方式中，玻璃组合物的液相线粘度可以小于约1200kP，或者甚至小于1000kP。在另一些实施方式中，玻璃组合物的液相线粘度可以大于或等于20kP且小于或等于1000kP。例如，玻璃组合物的液相线粘度可以大于或等于50kP且小于或等于1000kP，大于或等于100kP且小于或等于1000kP，或者甚至是大于或等于500kP且小于或等于1000kP。
如所论述的，本文公开的玻璃组合物的液相线粘度足够地高而能够使用熔合下拉成形工艺成形，例如，成形成玻璃带和/或玻璃片。然而，玻璃组合物也可以使用其他已知的玻璃成形方法来制造，例如浮法或狭缝拉制工艺。在浮法中，熔融玻璃组合物浮在具有熔融金属浴(例如熔融锡浴)的浴顶部上。随着熔融玻璃组合物沿着熔融金属的表面通过，熔融玻璃组合物冷却，直到从浴的表面移除作为由玻璃组合物形成的玻璃带的玻璃。还考虑了其他玻璃成形工艺。
由本文所述的玻璃组合物制成的玻璃制品和玻璃片可以通过离子交换得到化学强化。在离子交换强化过程中，由所述玻璃组合物制造的玻璃的表面层中的离子被具有相同价态或氧化态的更大的离子替换(或与之交换)。在实施方式中，玻璃组合物的表面层中的离子和更大的离子是一价碱金属阳离子，例如Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+。或者，表面层中的一价阳离子可以用除碱金属阳离子以外的一价阳离子，例如Ag+等替换。
商业规模的离子交换工艺通常通过如下进行：将由所述玻璃组合物制成的玻璃制品或玻璃片浸没在熔融盐浴中，所述熔融盐浴含有将要与玻璃组合物中的较小离子进行交换的较大离子。本领域技术人员应理解，离子交换工艺的参数包括但不限于浴的组成和温度、浸没时间、玻璃在一个或多个盐浴中的浸没次数、多个盐浴的使用、其他步骤(例如退火、洗涤等)，这些参数一般由玻璃的组成和所需的层深度以及通过离子交换强化工艺获得的玻璃组合物的压缩应力决定。例如，含碱金属的玻璃的离子交换可以通过浸没在至少一个包含盐的熔融浴中来实现，所述盐例如但不限于更大的碱金属离子的硝酸盐、硫酸盐和氯化物。熔融盐浴的温度通常在约350摄氏度(℃)至最高达约450℃的范围内，同时，浸没时间在约0.1小时至最高达约36小时的范围内。但是，也可以采用与上述不同的温度和浸没时间。
通过用来自熔融盐浴的多个第二金属离子替换玻璃的外部区域中的多个第一碱金属离子以使得外部区域包含多个第二金属离子，离子交换强化在由所述玻璃组合物制成的玻璃的外部区域中产生了压缩应力。第一碱金属离子各自具有第一离子半径，并且第二金属离子各自具有第二离子半径。第二离子半径大于第一离子半径，在外部区域中存在较大的第二金属离子使得在外部区域中产生了压缩应力。第一碱金属离子可以是锂、钠、钾和铷的离子。第二金属离子可以是钠、钾、铷和铯中的至少一种的离子。一般来说，第二金属离子不同于第一碱金属离子，并且离子半径大于第一碱金属离子的离子半径。
可以使用已知技术来测量具体的离子因为离子交换产生的压缩应力(CS)、压缩深度(DOC)和层深度(DOL)。通过表面应力计(FSM)，使用商购仪器，例如日本折原实业有限公司[Orihara Industrial Co.,Ltd.]制造的FSM-6000，来测量压缩应力(包括表面CS)。表面应力测量依赖于应力光学系数(SOC)的精确测量，其与玻璃的双折射相关。进而根据题为“Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient”(《测量玻璃应力-光学系数的标准测试方法》)的ASTM标准C770-16中所述的方案C(玻璃盘方法)来测量SOC。
如本文所用，DOC意为本文所述的经过化学强化的碱金属铝硅酸盐玻璃制品中的应力从压缩应力变为拉伸应力处的深度。取决于离子交换处理方式，DOC可以通过FSM或散射光偏振镜(SCALP)来测量。如果玻璃制品中的应力是通过将钾离子交换到玻璃制品中产生的，则使用FSM测量DOC。如果应力是通过将钠离子交换到玻璃制品中产生的，则使用SCALP测量DOC。如果玻璃制品中的应力是通过将钾离子和钠离子二者交换到玻璃中产生的，则通过SCALP测量DOC，因为认为钠的交换深度表示的是DOC，而钾离子的交换深度(钾DOL或K DOL)表示的是压缩应力的变化幅度(但不表示应力从压缩应力变为拉伸应力)；这种玻璃制品中钾离子的交换深度通过FSM测量。
本文公开的DOC值，具体地，DOC值是玻璃厚度的至少10％，更优选大于或等于玻璃厚度的20％，其反映了使用SCALP技术计算的DOC值。为了清楚起见，DOC值代表至少一个压缩应力层的厚度，这意味着强化玻璃制品或片材可以具有一个DOC为玻璃厚度的至少20％的压缩层，或者具有两个压缩层，其中每个压缩层的DOC为玻璃厚度的至少20％。所公开的DOC值不是组合值，例如，其不是两个压缩应力层的和或平均值。
如上所述，玻璃组合物中的碱金属氧化物的存在促进了通过离子交换对所得玻璃进行化学强化。具体地，碱金属离子，例如锂离子、钠离子、钾离子等在玻璃组合物中具有足够的移动性以促进离子交换。在一些实施方式中，可以通过将玻璃，例如，由所述玻璃组合物制成的玻璃制品或玻璃片例如引入到包含硝酸钠(NaNO3)、硝酸钾(KNO3)或硝酸钠(NaNO3)和硝酸钾(KNO3)二者的离子交换浴中(例如，将玻璃浸没在离子交换浴中)来对玻璃进行离子交换。在实施方式中，离子交换浴可以包括1重量％(wt.％)至100wt.％的NaNO3，基于离子交换浴的总重量计。例如，离子交换浴可以包括1wt.％至99wt.％、1wt.％至80wt.％、1wt.％至20wt.％、20wt.％至100wt.％、20wt.％至99wt.％、20wt.％至80wt.％、80wt.％至100wt.％或80wt.％至99wt.％的NaNO3，基于离子交换浴的总重量计。离子交换浴还可以包括足以使玻璃表面处的压缩应力增加的KNO3的量。例如，在实施方式中，离子交换浴可以包括0wt.％至99wt.％的KNO3，基于离子交换浴的总重量计。在一些实施方式中，离子交换浴可以包括0wt.％至98wt.％、0wt.％至80wt.％、0wt.％至20wt.％、20wt.％至99wt.％、20wt.％至98wt.％、20wt.％至80wt.％、80wt.％至99wt.％、或80wt.％至98wt.％的KNO3，基于离子交换浴的总重量计。离子交换浴可以任选地包括0.1wt.％至2wt.％的硅酸H4SiO4。
由所述玻璃组合物制成的玻璃的离子交换强化可以在离子交换温度下进行，并且进行一定的浸没时间，该浸没时间足以在玻璃中提供目标应力分布。例如，在实施方式中，离子交换浴可以维持在350℃至450℃的温度。在另一些实施方式中，离子交换浴可以维持在365℃至440℃的温度。在一些实施方式中，离子交换可以进行0.1小时至36小时的浸没时间。在另一些实施方式中，离子交换可以进行以下浸没时间，0.1小时至30小时、0.1小时至20小时、0.1小时至10小时、1小时至36小时、1小时至30小时、1小时至20小时、1小时至10小时、或10小时至20小时。离子交换的浸没时间可以取决于进行离子交换的玻璃的厚度。离子交换的浸没时间还可以取决于如本公开先前所述的玻璃组合物。在一些实施方式中，对于由玻璃组合物制成并且厚度为0.5毫米(mm)至1mm的平坦玻璃片，离子交换可以进行的浸没时间为大于或等于1小时且小于或等于10小时。
在一些实施方式中，所述玻璃组合物能够使玻璃进行离子交换直到钠离子到达玻璃厚度的中心。通过对玻璃组合物进行离子交换直到钠离子遇到玻璃厚度的中心，可以产生通过玻璃厚度的钠离子浓度梯度，从而得到通过玻璃厚度的抛物线应力分布。参考图1，其例示了由所述玻璃组合物制成的两种示例性玻璃的应力分布根据通过玻璃的厚度而变化的情况。在图1中，负应力表示压缩应力，而正应力表示拉伸应力(即，中心张力(CT))。DOC是玻璃中的应力从压缩应力(即，图1的负应力)转变成中心张力(即，图1的正应力)的点。如图1所示，渗透到中心张力区(即，图1中的从约1.5mm至约6mm的区域)中的钠离子的梯度使得中心张力区中的应力分布为曲线。由于中心张力区中的应力分布是曲线，因此玻璃的中心张力区中的总储存张力更小。如果玻璃中的中心张力变得太大，则玻璃可能变得易碎。因此，通过对玻璃进行离子交换以产生使玻璃中的中心张力减小的抛物线应力分布，可实现更大的DOC并且不会使玻璃变得易碎。如本文所使用的术语“易碎性质”和“易碎性”是指在没有任何外部约束(例如，涂层、粘合剂层等)的情况下，强化玻璃猛烈或剧烈碎裂的那些模式。虽然涂层、粘合剂层等可与由本文所述的玻璃组合物制成的强化玻璃结合使用，但是这些外部约束不用于确定玻璃的易碎性或易碎性质。
在一些实施方式中，抛物线应力分布能够使玻璃组合物中的中心张力为小于120兆帕(MPa)，或者甚至小于100MPa。在一些实施方式中，玻璃组合物的中心张力可以大于或等于50MPa且小于120MPa，或者甚至是大于或等于70MPa且小于或等于100MPa。在一些实施方式中，由本文公开的玻璃组合物制成的玻璃的0.8mm厚的样品能够在430℃下在小于8小时内离子交换得到抛物线分布。
在实施方式中，在由所述玻璃组合物制成的玻璃制品或玻璃片进行离子交换以产生抛物线应力分布之后，玻璃中的DOC可以高至玻璃厚度的15％。例如，在一些实施方式中，在玻璃进行离子交换以产生抛物线应力分布之后，DOC可以高至玻璃厚度的18％，高至玻璃厚度的20％，高至玻璃厚度的22％，或者甚至是高至玻璃厚度的25％。在一些实施方式中，在离子交换后，玻璃组合物的DOC可以为玻璃组合物的厚度的5％至25％。例如，在由所述玻璃组合物制成的玻璃进行离子交换后，所述玻璃的DOC可以是玻璃厚度的5％至18％、5％至20％、5％至20％、5％至22％、10％至15％、10％至18％、10％至20％、10％至22％、10％至25％、15％至18％、15％至20％、15％至22％、15％至25％、18％至20％、或18％至22％。在一个实例中，由所述玻璃组合物制成并且厚度为0.8mm的玻璃片的DOC可以高至约120μm，或高至约145μm，或者甚至是高至约160μm。在另一个实例中，由所述玻璃组合物制成并且厚度为1mm的玻璃片的DOC可以高至约150μm，或高至约180μm，或者甚至是高至约200μm。对于厚度为0.5mm至1mm的玻璃，使玻璃进行离子交换以获得抛物线应力分布能够使玻璃实现100μm至200μm的DOC。典型的常规碱金属铝硅酸盐玻璃在离子交换后的DOC为40μm至50μm。因此，本文公开的玻璃组合物能够使由所述玻璃组合物制成的玻璃进行离子交换以在玻璃中产生抛物线应力分布，这可以在玻璃中得到显著更大的DOC。
本文所述的玻璃组合物能够使钠离子在离子交换期间迁移到玻璃的中心。然而，当离子交换浴中存在钾离子时，相比于钠离子，其迁移到由所述玻璃组合物制成的玻璃中可能不是那么远，这是因为相比于钠离子，钾离子的尺寸更大。在离子交换浴中包含钾离子的实施方式中，钾离子渗透到玻璃中的深度(K DOL)为5μm至25μm、5μm至15μm或者甚至是8μm至12μm。
在一些实施方式中，在离子交换后，由所述玻璃组合物制成的玻璃可以具有足以向所述玻璃提供抗损坏性的压缩应力。例如，在一些实施方式中，在离子交换后，所述玻璃在玻璃表面处的压缩应力可以大于或等于400MPa、大于或等于500MPa、或者甚至是大于或等于600MPa。
在一些实施方式中，可以进行第二离子交换步骤以进一步增加由所述玻璃组合物形成的玻璃的外部区域中的压缩应力。不囿于理论，第二离子交换步骤被认为是快速离子交换步骤，其在玻璃表面附近得到压缩应力的“尖峰”。在一个或多个实施方式中，第二离子交换步骤可以进行30分钟或更短的时间，或者15分钟或更短的时间，或者任选地，可以进行约10分钟至约15分钟的时间。第二离子交换浴的组成可以不同于第一离子交换浴，例如，当第二离子交换步骤涉及将与第一离子交换步骤不同的离子输送给玻璃时，其组成可以不同。在一些实施方式中，第二离子交换浴可以包括钾盐，例如，硝酸钾、硫酸钾、氯化钾、其他钾盐或它们的组合。在一个或多个实施方式中，第二离子交换浴可以包括至少约80重量％的钾盐。在一个具体的实施方式中，第二离子交换浴可以包含约95重量％至约99.5重量％的钾盐。虽然第二离子交换浴可仅包含钾盐，但是在一些实施方式中，第二离子交换浴可以包含0-2重量％，或约0.5-1.5重量％的钠盐，例如，NaNO3。在一个示例性实施方式中，钾盐是KNO3。在另外的实施方式中，第二离子交换步骤的温度可以是390℃或更高。如果在第一离子交换后，经过离子交换的玻璃的压缩应力不够，则可以进行第二离子交换步骤以利用钾离子“刺”玻璃的外表面，从而增加玻璃表面处的压缩应力。
由本文所述的玻璃组合物制成的玻璃的应变点一般可以大于或等于约500℃且小于或等于约650℃。由本文公开的玻璃制成的玻璃的退火点还可以大于或等于约550℃且小于或等于约725℃，并且软化点大于或等于约775℃且小于或等于约960℃。
在本文所述的实施方式中，由所述玻璃组合物制成的玻璃的CTE可以小于约75x10-7 K-1，或者甚至是小于约60x10-7 K-1。相对于具有较高CTE的玻璃组合物，这些较低的CTE值提高了玻璃经受热循环或热应力条件的完好率。
本文公开的玻璃制品可以被包含到另一个制品中，例如，具有显示器(或显示制品)的制品(例如，消费电子器件，包括手机、平板电脑、电脑、导航系统等)；建筑制品；运输制品(例如汽车、火车、飞行器、船舶等)；器具制品或需要一定的透明度、耐刮擦性、耐磨损性或以上性质的组合的任何制品。图2A和2B示出了包含本文公开的任何一种玻璃制品的示例性制品。具体来说，图2A和2B示出了消费电子装置300，其包括：壳体302，所述壳体302具有前表面304、后表面306和侧表面308；电学部件(未示出)，其至少部分或完全位于所述壳体内并且至少包括控制器、存储器和显示器310，所述显示器310位于壳体的前表面处或附近；以及盖板基材312，其在壳体的前表面处或壳体前表面上方以使得盖板基材312在显示器上方。在一些实施方式中，盖板基材312或一部分壳体302中的至少一者可以包含本文公开的任一种玻璃制品。
实施例
通过以下实施例将进一步阐明本文所述的玻璃组合物的实施方式。
实施例1
制备103个示例性玻璃组合物(组合物1-103)。下表1报告了每种示例性玻璃组合物的具体组成。在1500℃至1600℃之间的铂坩埚中熔化玻璃组合物的成分5至6小时，然后在1600℃至1650℃之间的更高温度下重新熔化5至6小时以提高均匀性和熔体品质。测量实施例1的玻璃组合物的液相线温度和液相线粘度。接着将玻璃浇铸到钢板上并在表I中给出的退火温度附近退火1小时。切割每种玻璃组合物的多个样品并进行抛光以用于性质测量和进一步的离子交换实验。所有样品的厚度均为0.8mm。测试每个样品的热膨胀系数(CTE)、密度、韧度和杨氏模量。本公开中所述的密度值是指通过ASTM C693-93(2013)的浮力方法测得的值。本公开中所述的杨氏模量值是指通过标题为“Standard Guide for ResonantUltrasound Spectroscopy for Defect Detection in Both Metallic and Non-metallic Parts”(《金属和非金属零件缺陷检测用共振超声谱法的标准指南》)的ASTME2001-13中阐述的一般类型的共振超声波谱技术测得的值。在一些实施方式中，杨氏模量大于或等于70GPa或者大于或等于80GPa。下表1报告了所有玻璃组合物的结果。本公开中所述的断裂韧度值(K1C)是指通过Reddy,K.P.R.等人的“Fracture Toughness Measurementof Glass and Ceramic Materials Using Chevron-Notched Specimens(使用V形缺口试样的玻璃和陶瓷材料的断裂韧度测量)”,J.Am.Ceram.Soc.(《美国陶瓷学会杂志》),71[6],C-310-C-313(1988)中公开的V形缺口短棒(CNSB)方法测得的值，但是Y*m使用R.T.等人,“Closed-Form Expressions for Crack-Mouth Displacement and Stress IntensityFactors for Chevron-Notched Short Bar and Short Rod Specimens Based onExperimental Compliance Measurements(基于实验合规性测量的V形缺口短棒和短杆试样的裂纹口位移和应力强度因子的封闭形式表达式)”,NASA Technical Memorandum(NASA技术备忘录)83796,第1-30页(1992年10月)的方程5来计算。在一些实施方式中，断裂韧度大于或等于约0.7MPa·m1/2或者大于或等于约0.7MPa·m1/2。
表1：实施例1的玻璃组合物和性质
Figure BDA0002476068560000281
Figure BDA0002476068560000291
Figure BDA0002476068560000301
Figure BDA0002476068560000311
Figure BDA0002476068560000321
Figure BDA0002476068560000331
Figure BDA0002476068560000341
Figure BDA0002476068560000351
Figure BDA0002476068560000361
Figure BDA0002476068560000371
Figure BDA0002476068560000381
Figure BDA0002476068560000391
Figure BDA0002476068560000401
Figure BDA0002476068560000411
Figure BDA0002476068560000421
实施例2
对其中的三种示例性玻璃组合物(组合物26、65和77)各自的两组样品进行进一步加工和离子交换强化。下表2提供了这三种示例性玻璃组合物各自在离子交换前的组成。通过将样品在玻璃组合物的粘度为1011泊时的温度下处理4分钟，然后在环境温度下在流动空气中使样品淬火，使实施例2的每种示例性玻璃组合物的一组样品经过假想化。这些假想化样品在下表2中用后缀“-F”标记。该热处理模拟被淬火的熔合拉制玻璃的热经历。实施例2的每种示例性玻璃组合物的第二组样品经过简单退火。这些样品在表2中用后缀“-A”标记。
然后使样品进行离子交换以在每个样品中产生抛物线应力分布。实施例2中的玻璃组合物的每个样品的厚度为0.8mm。样品26-F2、65-A、65-F、77-A和77-F在包含80重量％(wt.％)KNO3和20wt.％NaNO3的熔融盐浴中进行离子交换。样品26-F1在包含100wt.％NaNO3的熔融盐浴中进行离子交换。样品在430℃的温度下离子交换一定的浸没时间，该浸没时间足以获得抛物线应力分布。下表2提供了每个样品的浸没时间。
表2：实施例2的玻璃组合物的组成和性质
Figure BDA0002476068560000431
Figure BDA0002476068560000441
参考图1，其例示了样品77-A和77-F的应力分布根据通过玻璃样品的厚度的位置而变化的情况。如图1所示，样品77-A的退火玻璃(图1中的附图标记140)获得了81.7MPa的更高的中心张力(CT)，但是要耗费更长的离子交换浸没时间来实现峰值CT。相比于样品77-A的4小时浸没时间，样品77-F的假想化玻璃组合物(图1中的附图标记142)在仅3小时的较短的浸没时间内达到峰值CT。然而，假想化样品77-F展现出61.6MPa的更低的峰值CT。图1中的结果针对的是在包含80wt.％KNO3和20wt.％NaNO3的离子交换浴中进行离子交换的样品。当在100％NaNO3中进行离子交换时，相同的玻璃组合物实现了大于90MPa的峰值CT，但是在表面处具有更低的压缩应力。
现应理解，本文所述的玻璃组合物在离子交换后展现出化学耐久性以及机械耐久性。这些性质使得所述玻璃组合物非常适用于各种应用，包括，但不限于药物包装材料。
对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各个实施方式的修改和变化形式，条件是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 (31)

1.一种玻璃制品，其包括一种组合物，所述组合物包含：
大于或等于50摩尔％且小于或等于80摩尔％的SiO2；
大于或等于7摩尔％且小于或等于25摩尔％的Al2O3；
大于或等于2摩尔％且小于或等于14摩尔％的Li2O；
大于或等于0.4摩尔％且小于或等于10摩尔％的P2O5；
大于或等于1摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O；和
小于或等于0.5摩尔％的ZrO2，
其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％))大于零，其中，R2O(摩尔％)是组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和，并且
其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))大于或等于-2摩尔％且小于或等于2摩尔％。
2.一种玻璃制品，其包括一种组合物，所述组合物包含：
大于或等于50摩尔％且小于或等于80摩尔％的SiO2；
大于或等于7摩尔％且小于或等于25摩尔％的Al2O3；
大于或等于2摩尔％且小于或等于14摩尔％的Li2O；
大于或等于3摩尔％且小于或等于15摩尔％的B2O3；
大于或等于0.1摩尔％的Na2O；以及
大于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的TiO2，
其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％))大于或等于零，其中，R2O(摩尔％)是组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和，
其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))小于或等于2，并且
其中，R2O(摩尔％)小于或等于14摩尔％。
3.一种玻璃制品，其包括一种组合物，所述组合物包含：
大于或等于50摩尔％且小于或等于80摩尔％的SiO2；
大于或等于7摩尔％且小于或等于25摩尔％的Al2O3；
大于或等于2摩尔％且小于或等于14摩尔％的Li2O；
大于或等于0.1摩尔％且小于或等于20摩尔％的B2O3；
大于或等于0.1摩尔％且小于或等于20摩尔％的P2O5；
大于或等于1摩尔％且小于或等于6摩尔％的Na2O；和
小于或等于1摩尔％的ZrO2，
其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％))大于零，其中，R2O(摩尔％)是组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和，并且
其中，(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))的摩尔比大于或等于0.5。
4.如权利要求1或2所述的玻璃制品，其中，(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))的摩尔比大于或等于0.5。
5.如权利要求1、3或4中任一项所述的玻璃制品，其还包含大于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的TiO2。
6.如权利要求3所述的玻璃制品，其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))小于或等于2摩尔％。
7.如权利要求2或3所述的玻璃制品，其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％)-P2O5(摩尔％))大于或等于-2摩尔％且小于或等于2摩尔％。
8.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物的液相线温度低于或等于1300℃。
9.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物的液相线粘度大于20kP。
10.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物的液相线粘度大于50kP。
11.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物包含小于或等于14摩尔％的R2O。
12.如权利要求11所述的玻璃制品，其中，所述组合物包含大于或等于7摩尔％且小于或等于14摩尔％的R2O。
13.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物还包含小于或等于2.5摩尔％的K2O。
14.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物还包含大于或等于3摩尔％且小于或等于15摩尔％的B2O3。
15.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，(Li2O(摩尔％)+Al2O3(摩尔％))大于或等于两倍的B2O3(摩尔％)。
16.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物还包含大于0摩尔％且小于或等于5摩尔％的MgO。
17.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物还包含大于0摩尔％且小于或等于5摩尔％的ZnO。
18.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物还包含大于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的CaO。
19.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物还包含大于0摩尔％且小于或等于4摩尔％的SrO。
20.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物还包含小于或等于0.35摩尔％的SnO2。
21.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物基本上不含BaO。
22.如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述组合物还包含大于或等于0.4摩尔％且小于或等于10摩尔％的P2O5。
23.一种玻璃制品，其包括一种组合物，所述组合物包含：
大于或等于50摩尔％且小于或等于80摩尔％的SiO2；
大于或等于2摩尔％且小于或等于25摩尔％的Al2O3；
大于或等于2摩尔％且小于或等于15摩尔％的Li2O；
其中SiO2(摩尔％)≥[4*Li2O+6*(Na2O+K2O)+2.5*MgO+2*(CaO+SrO+BaO)](摩尔％)，
其中，(Al2O3(摩尔％)-R2O(摩尔％)-RO(摩尔％))大于零，其中，R2O(摩尔％)是组合物中的Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的摩尔量之和，并且RO(摩尔％)是组合物中的BeO、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔量之和，
其中，(Li2O(摩尔％))/(R2O(摩尔％))的摩尔比大于或等于0.35，
其中，P2O5(摩尔％)/[(Al2O3-R2O–RO)](摩尔％)大于或等于0.25，
其中，TiO2(摩尔％)+ZrO2(摩尔％)大于或等于0摩尔％且小于或等于1摩尔％，
其中，碱土金属氧化物的总含量大于或等于0摩尔％且小于或等于0.5摩尔％，并且
其中，A大于或等于17，其中：
A＝13.2+P*[(1/673–1(A.P.+273))]，
P＝0.6/[(1/(A.P.+273))–(1/(T12+273))]，
A.P.是退火点，单位为℃，并且
T12是对应于玻璃的粘度为1012泊时的温度，单位为℃。
24.如权利要求23所述的玻璃制品，其中，P2O5(摩尔％)/[(Al2O3-R2O–RO)](摩尔％)大于或等于0.8且小于或等于1.25。
25.如权利要求23所述的玻璃制品，其中，P2O5(摩尔％)/[(Al2O3-R2O–RO)](摩尔％)大于或等于0.9且小于或等于1.1。
26.如权利要求23-25中任一项所述的玻璃制品，其中，杨氏模量大于或等于70GPa。
27.如权利要求23-26中任一项所述的玻璃制品，其中，杨氏模量大于或等于80GPa。
28.如权利要求23-27中任一项所述的玻璃制品，其中，断裂韧度大于或等于0.7MPa*m1 /2。
29.如权利要求23-28中任一项所述的玻璃制品，其中，断裂韧度大于或等于0.8MPa*m1 /2。
30.如权利要求23-29中任一项所述的玻璃制品，其中，A大于或等于19。
31.一种消费电子产品，其包括：
壳体，所述壳体具有前表面、后表面和侧表面；
至少部分位于所述壳体内的电学部件，所述电学部件至少包括控制器、存储器和显示器，所述显示器位于所述壳体的前表面处或附近；以及
盖板基材，其设置在所述显示器上方，
其中，所述壳体的一部分或者所述盖板基材中的至少一者包括如前述权利要求中任一项所述的玻璃制品。
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