CN111995245A - 一种盖板玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种盖板玻璃及其制备方法，所述玻璃的组分按摩尔百分比计，包括SiO260％～70％、Al2O310％～20％、B2O30～3％、Li2O 3％～10％、Na2O 5％～15％、K2O 0～5％、MgO 0～5％、P2O50～5％、ZnO 0～5％和SnO20.1％～1.5％。制备时先将原料熔化、澄清后退火处理，形成玻璃；然后将玻璃按照需要进行切片，之后按所需尺寸进行CNC加工，然后将加工后的玻璃依次进行抛光和清洗；最后将清洗后的玻璃在盐浴中依次进行两次化学强化，得到化学强化的盖板玻璃，解决了目前手机等盖板玻璃应用产品在遭受摔落时引起的屏幕碎裂问题。

Description

一种盖板玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及盖板玻璃制备技术领域，具体为一种盖板玻璃及其制备方法。
背景技术
目前，市场上常见的盖板材料包括塑料材质、金属材质以及玻璃材质这三大类。随着5G及无线通讯技术的快速发展，对于手机等终端的高端产品而言，其对盖板材料的信号传输能力、强度以及美观度有了更高的要求，而在现有盖板材料中，玻璃的电磁波衰减系小于金属，可顺利传输电磁信号，而且其硬度、韧性好，且更有质感，更美观，既是功能材料，又是装饰材料。但随着终端应用产品的显示屏幕越做越大、边框越做越窄，屏幕易碎导致了盖板玻璃应用时受到了一定的限制。
因此，研发具有较高强度的盖板玻璃对于提高终端产品的抗跌落能力，满足当下高端盖板材料的需求极为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种盖板玻璃及其制备方法，所述玻璃进行复合化学强化后被赋予较高的单体强度，具有优异的抗跌落性能解决了目前手机等盖板玻璃应用产品在遭受摔落时引起的屏幕碎裂问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种盖板玻璃，所述玻璃的组分按摩尔百分比计，包括SiO2 60％～70％、Al2O310％～20％、B2O3 0～3％、Li2O 3％～10％、Na2O 5％～15％、K2O 0～5％、MgO 0～5％、P2O50～5％、ZnO 0～5％和SnO2 0.1％～1.5％。
优选的，所述Li2O、Na2O、K2O、MgO和Al2O3的摩尔百分比满足如下关系：
(R1+R2+R3+R4)/R5≥1，其中R1为Li2O的摩尔百分比，R2为Na2O的摩尔百分比，R3为K2O的摩尔百分比，R4为MgO的摩尔百分比，R5为Al2O3的摩尔百分比。
优选的，所述Li2O、Na2O、K2O和Al2O3的摩尔百分比满足如下关系：
(R1+R2+R3)/R5＞1，其中R1为Li2O的摩尔百分比，R2为Na2O的摩尔百分比，R3为K2O的摩尔百分比，R5为Al2O3的摩尔百分比。
优选的，所述SnO2的摩尔百分比为0.2％～0.5％。
一种盖板玻璃的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按摩尔百分比计，依照所述玻璃的组分配制原料，将原料熔化、澄清后退火处理，形成玻璃；所述玻璃的组分按摩尔百分比计为，SiO2 60％～70％、Al2O3 10％～20％、B2O3 0～3％、Li2O 3％～10％、Na2O 5％～15％、K2O 0～5％、MgO 0～5％、P2O5 0～5％、ZnO0～5％和SnO2 0.1％～1.5％；
步骤2，先将玻璃按照需要进行切片，之后按所需尺寸进行CNC加工，然后将加工后的玻璃依次进行抛光和清洗；
步骤3，将清洗后的玻璃在盐浴中依次进行两次化学强化，得到化学强化的盖板玻璃，其中：
第一次化学强化时硝酸钾和硝酸钠的摩尔百分比为(0～50％):(50％～100％)，时间为100～360min；
第二次化学强化时硝酸钾和硝酸钠的摩尔百分比为(50％～100％):(0～50％)，时间为30～90min。
进一步，步骤1中将原料在1500～1650℃下熔化。
再进一步，步骤1中所述的退火在620～640℃下进行1～3h。
再进一步，步骤3中第一次化学强化时的温度为350～420℃，第二次化学强化时的温度为380～420℃。
再进一步，所述盖板玻璃的表面压应力大于1000MPa，应力层压缩深度大于100μm。
一种由上述任意一项所述的盖板玻璃的制备方法得到的盖板玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种盖板玻璃，由于SiO2在玻璃组成中的基本结构单元为硅氧四面体，为形成玻璃的主网络结构，网络的连接程度直接决定玻璃本征强度的大小，当SiO2含量低于60％时，料方中其他配合物的含量相应增加，使得料方整体粘度偏小，玻璃强度会偏低；但当其含量超过70％时，会极大的提高料方的熔化、澄清温度，增加熔制难度及析晶倾向；10％～20％的Al2O3能使玻璃达到符合要求的化学耐久性、热稳定性和玻璃软化温度，为化学强化提供足够的离子交换空间，促进离子交换的进行；B2O3作为助熔剂添加到玻璃中，3％以内的量可以加速玻璃的澄清和降低玻璃的结晶能力，具有降低玻璃高温黏度，提高玻璃低温黏度的作用；摩尔百分比为3％～10％的Li2O与摩尔百分比为5％～15％的Na2O和摩尔百分比为0～5％的K2O结合，可向玻璃结构中提供游离氧，破坏玻璃的网络骨架，改善玻璃液黏度，能有效解决玻璃难熔问题，同时Li2O为第一步化学强化时交换离子，与熔盐中离子半径较大的Na+、K+进行交换；Na2O为第二步化学强化时交换离子，与熔盐中的K+进行交换，二者的含量会决定化学强化后玻璃表面的应力层压缩深度(DOL)及表面压应力(CS)大小，即决定玻璃化学强化后的强度；MgO为玻璃网络外体氧化物，在玻璃中加入0～5％的氧化镁的目的是改善玻璃成型性能，可使玻璃硬化速度变慢、降低结晶倾向和结晶速度、增加高温黏度，提高化学稳定性、热稳定性。P2O5为网络形成体氧化物，其网络结构较大，少量引入，有利于化学强化时离子交换的进行。ZnO为中间体氧化物，当玻璃中游离氧足够时，可以形成锌氧八面体进入玻璃网络结构中，使玻璃结构稳定，但用量过大易使玻璃析晶；SnO2作为澄清剂加入到本发明的玻璃组分中，其加入量通常为0.1％～1.5％，能消除玻璃熔融液中的气泡；最终可通过化学强化，极大的提高了玻璃的表面压应力和应力层压缩深度，使玻璃具有更高的硬度，有利于提高盖板玻璃在终端产品使用时的抗跌落性能。
本发明一种盖板玻璃的制备方法，先按摩尔百分比计，依照玻璃的组分配制原料，将原料熔化、澄清后退火处理，可形成玻璃样块，之后需要进行切片，按所需尺寸进行CNC加工，然后将加工后的玻璃依次进行抛光和清洗，方可在硝酸钾和硝酸钠的盐浴中进行两次化学强化，第一次离子交换主要使盐浴中半径较大的Na+、K+和盖板玻璃中半径较小的锂离子进行交换，得到较高表面压应力、较深应力层压缩深度；第二次离子交换主要使盐浴中的K+与玻璃中Na+的短时间交换以获得较高的靠近玻璃制品表面的压应力，使得盖板玻璃具有更高的强度，有利于提高盖板玻璃在终端产品使用时的抗跌落性能。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种高强度盖板玻璃的制备方法，玻璃为碱硅酸盐玻璃，玻璃配合料按照摩尔百分比计，包括以下成分：
SiO2 60％～70％、Al2O3 10％～20％、B2O3 0～3％、Li2O 3％～10％、Na2O 5％～15％、K2O 0～5％、MgO 0～5％、P2O5 0～5％、ZnO 0～5％、SnO2 0.1％～1.5％。
其中，纯度为99.8％，Fe含量在100ppm以下，粒度为100目以下的石英砂提供SiO2；化学纯硼酸提供B2O3；碱金属氧化物Li2O、Na2O和K2O可由其对应的碳酸盐或者硝酸盐提供，且Li2O、Na2O和K2O的总和占比不超过总量的30％；化学纯氧化镁即为MgO，化学纯氧化锌即为ZnO，化学纯氧化锡即为SnO2，P2O5由偏磷酸铝提供，同时化学纯氧化铝提供Al2O3。
以下讨论高强度盖板玻璃中各组分的作用及具体的含量，含量单位均为摩尔百分比。
SiO2：60％～70％。
SiO2为玻璃组成中的网络形成体氧化物，是形成玻璃的主要组分，其在玻璃组成中的基本结构单元为硅氧四面体([SiO4])，为形成玻璃的主网络结构，网络的连接程度直接决定玻璃本征强度的大小。当其含量低于60％时，料方中其他配合物的含量相应增加，使得料方整体粘度偏小，玻璃强度会偏低；但当其含量超过70％时，会极大的提高料方的熔化、澄清温度，增加熔制难度及析晶倾向。
Al2O3：10％～20％。
Al2O3为玻璃组成中的中间体氧化物，在碱硅酸盐玻璃种引入Al2O3，当(R2O+R′O)/Al2O3≥1(摩尔比值)，R是Li，Na或K，R′是Mg，Al2O3会以铝氧四面体([AlO4])形式取代部分[SiO4]而与SiO2共同形成网络结构，参与网络组成，有利于提高玻璃化学稳定性及热稳定性；另外，由于[AlO4]体积大于[SiO4]，所以在化学强化过程中，Al2O3可容纳更多的交换离子，为化学强化提供足够的离子交换空间，促进离子交换的进行。但当其含量过高时，会提高玻璃软化温度，增大玻璃的后期热弯加工难度，而且当料方中同时存在碱土金属氧化物时，会增大玻璃的析晶倾向；因此，Al2O3的摩尔百分百为10％～20％。
B2O3 0～3％。
B2O3作为助熔剂添加到玻璃中，加速玻璃的澄清和降低玻璃的结晶能力；具有降低玻璃高温黏度，提高玻璃低温黏度的作用。
Li2O 3％～10％、Na2O 5％～15％、K2O 0～5％。
碱金属氧化物Li2O、Na2O、K2O在玻璃组成中为网络外体氧化物，可向玻璃结构中提供游离氧，破坏玻璃的网络骨架，改善玻璃液黏度，能有效解决玻璃难熔问题。另外，Li2O为第一步化学强化时交换离子，与熔盐中离子半径较大的Na+、K+进行交换；Na2O为第二步化学强化时交换离子，与熔盐中的K+进行交换；二者的含量会决定化学强化后玻璃表面的应力层压缩深度(DOL)及表面压应力(CS)大小，即决定玻璃化学强化后的强度。当(Li2O+Na2O+K2O)/Al2O3＞1时，一方面可使全部Al2O3以四配位形式参与到网络组成中，另一方面有富余的自由氧破坏网络连接程度，降低玻璃液熔制难度。
MgO 0～5％。
MgO为玻璃网络外体氧化物，在玻璃中加入氧化镁的目的是改善玻璃成型性能，可使玻璃硬化速度变慢、降低结晶倾向和结晶速度、增加高温黏度，提高化学稳定性、热稳定性。
P2O5 0～5％。
P2O5为网络形成体氧化物，其网络结构较大，少量引入，有利于化学强化时离子交换的进行。
ZnO 0～5％。
ZnO为中间体氧化物，当玻璃中游离氧足够时，可以形成锌氧八面体[ZnO4]进入玻璃网络结构中，使玻璃结构稳定。一般玻璃中不超过5％，用量过大易使玻璃析晶。
SnO2 0.1％～1.5％。
SnO2作为澄清剂加入到本发明的玻璃组分中，其加入量通常为0.1％～1.5％，能消除玻璃熔融液中的气泡，当SnO2的摩尔百分比为0.2％～0.5％时，在节约原料的同时也能达到完全去除气泡的效果。本发明的玻璃为高铝锂铝硅酸盐玻璃体系，因为成份中含有较多的氧化硅和氧化铝，导致破璃液的粘度和表面张力增大，其熔解和澄清变得困难，本发明利用高温澄清剂氧化锡替代传统的氧化砷、氧化锑来实现玻璃的澄清效果。
本发明一种高强度盖板玻璃的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，原料熔化：
将各组分按比例称量并混合均匀后，加入至提前预热好的容器中，石英坩埚、氧化铝坩埚或者铂金坩埚，进行升温熔化，容器预热温度为850～1100℃。
步骤2，澄清并均化玻璃液：
澄清温度为1500～1650℃，将温度升至澄清，形成玻璃液后保温3～5小时，以便排出玻璃液中的可见气泡、溶解气体、消除玻璃液中的条纹，从而形成均化的玻璃液。
步骤3，浇注后进行退火处理，以消除玻璃中的应力，避免玻璃因应力过大或分布不均匀而炸裂；
将玻璃液按所需尺寸浇注到内侧附有脱模剂的铸铁模具中，浇注完成并脱模后将玻璃放入马弗炉中，于620～640℃退火处理1～3h；该模具需提前预热，一般预热设定温度与玻璃退火温度相同。
步骤4，样块加工处理：
对退火后的玻璃样块首先按照需要进行切片，其次按所需加工尺寸进行CNC精雕加工，然后进行抛光处理并清洗；
步骤5，采用复合化学强化法对步骤4中制成的玻璃样片进行化学强化处理，该强化分三步进行，具体步骤如下：
步骤5a，将玻璃样片置于强化预热炉中随炉预热，预热温度为250～350℃，预热时长为40～70min；
步骤5b，将预热好的玻璃样片放入含有熔盐介质的1号强化炉中进行第一次化学强化(简写：IOX1)，该强化炉中熔盐介质为硝酸钠、硝酸钾按比例配制的熔融液，硝酸钠含量占比大于硝酸钾，硝酸钠比例为50wt％～100wt％，盐浴为100％纯硝酸钠时性能最佳，之后的实施例均采用此数据；强化温度为350～420℃，强化时间大于100min且小于360min；
步骤5c，将经过步骤5b中强化后的玻璃样片清洗干净后(可取出玻璃样片清洗，或者移动至另一纯水介质的强化炉内进行清洗)，移入含有熔盐介质的2号退火炉中进行第二次强化(简写：IOX2)，该强化炉中熔盐介质为硝酸钾、硝酸钠，按比例配制的熔融液，硝酸钾含量占比大于硝酸钠，硝酸钾比例为50wt％～100wt％，盐浴为100％纯硝酸钾时性能最佳，之后的实施例均采用此数据；强化温度为380～420℃，强化时间大于30min且小于90min。
实施例1～9
本发明一种高强度盖板玻璃的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，原料熔化：
将各组分按比例称量并混合均匀后，加入至提前预热好的石英坩埚中，进行升温熔化，容器预热温度为1000℃。
步骤2，澄清并均化玻璃液：
澄清温度为1600℃，将温度升至澄清，形成玻璃液后保温4小时，从而形成均化的玻璃液。
步骤3，浇注后进行退火处理；
将玻璃液按所需尺寸浇注到内侧附有脱模剂的铸铁模具中，浇注完成并脱模后将玻璃放入马弗炉中，于630℃退火处理2h，该模具需提前预热，一般预热设定温度与玻璃退火温度相同。
步骤4，样块加工处理：
对退火后的玻璃样块首先按照需要进行切片，其次按所需加工尺寸进行CNC精雕加工，然后进行抛光处理并清洗；
步骤5，采用复合化学强化法对步骤4中制成的玻璃样片进行化学强化处理，该强化分三步进行，具体步骤如下：
步骤5a，将玻璃样片置于强化预热炉中随炉预热；
步骤5b，将预热好的玻璃样片放入含有熔盐介质的1号强化炉中进行第一次化学强化(简写：IOX1)，盐浴为100％纯硝酸钠；
步骤5c，将经过步骤5b中强化后的玻璃样片清洗干净后，移入含有熔盐介质的2号退火炉中进行第二次强化(简写：IOX2)，盐浴为100％纯硝酸钾。
以上未具体说明的数据在下表中进行了说明。
表1本发明实施例1至实施例9的各个参数和结果列表
Figure BDA0002667716940000091
从表1可知，本发明通过合理调整料方配方及制备工艺，使得盖板玻璃具有更高的强度，玻璃样片的表面压应力不低于1000MPa，应力层压缩深度不低于100μm；有利于提高盖板玻璃在终端产品使用时的抗跌落性能。

Claims (10)

1.一种盖板玻璃，其特征在于，所述玻璃的组分按摩尔百分比计，包括SiO2 60％～70％、Al2O3 10％～20％、B2O3 0～3％、Li2O 3％～10％、Na2O 5％～15％、K2O 0～5％、MgO0～5％、P2O5 0～5％、ZnO 0～5％和SnO20.1％～1.5％。
2.根据权利要求1所述的盖板玻璃，其特征在于，所述Li2O、Na2O、K2O、MgO和Al2O3的摩尔百分比满足如下关系：
(R1+R2+R3+R4)/R5≥1，其中R1为Li2O的摩尔百分比，R2为Na2O的摩尔百分比，R3为K2O的摩尔百分比，R4为MgO的摩尔百分比，R5为Al2O3的摩尔百分比。
3.根据权利要求1所述的盖板玻璃，其特征在于，所述Li2O、Na2O、K2O和Al2O3的摩尔百分比满足如下关系：
(R1+R2+R3)/R5＞1，其中R1为Li2O的摩尔百分比，R2为Na2O的摩尔百分比，R3为K2O的摩尔百分比，R5为Al2O3的摩尔百分比。
4.根据权利要求1所述的盖板玻璃，其特征在于，所述SnO2的摩尔百分比为0.2％～0.5％。
5.一种盖板玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按摩尔百分比计，依照所述玻璃的组分配制原料，将原料熔化、澄清后退火处理，形成玻璃；所述玻璃的组分按摩尔百分比计为，SiO260％～70％、Al2O3 10％～20％、B2O30～3％、Li2O 3％～10％、Na2O 5％～15％、K2O 0～5％、MgO 0～5％、P2O5 0～5％、ZnO 0～5％和SnO2 0.1％～1.5％；
步骤2，先将玻璃按照需要进行切片，之后按所需尺寸进行CNC加工，然后将加工后的玻璃依次进行抛光和清洗；
步骤3，将清洗后的玻璃在盐浴中依次进行两次化学强化，得到化学强化的盖板玻璃，其中：
第一次化学强化时硝酸钾和硝酸钠的摩尔百分比为(0～50％):(50％～100％)，时间为100～360min；
第二次化学强化时硝酸钾和硝酸钠的摩尔百分比为(50％～100％):(0～50％)，时间为30～90min。
6.根据权利要求5所述的盖板玻璃，其特征在于，步骤1中将原料在1500～1650℃下熔化。
7.根据权利要求5所述的盖板玻璃，其特征在于，步骤1中所述的退火在620～640℃下进行1～3h。
8.根据权利要求5所述的盖板玻璃，其特征在于，步骤3中第一次化学强化时的温度为350～420℃，第二次化学强化时的温度为380～420℃。
9.根据权利要求5所述的盖板玻璃的制备方法，其特征在于，所述盖板玻璃的表面压应力大于1000MPa，应力层压缩深度大于100μm。
10.一种由权利要求5～9中任意一项所述的盖板玻璃的制备方法得到的盖板玻璃。
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