CN112441741A - 一种超薄铝硅酸盐玻璃及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝硅酸盐玻璃制备领域，具体涉及一种超薄铝硅酸盐玻璃及其制备方法。所述超薄铝硅酸盐玻璃由以下原料组成：SiO2：55‑70%，A12O3：5‑21%，MgO：2‑8%，Na2O：8‑17%，K2O+Li2O：0.1‑3%，ZrO2：0.1‑2%，P2O5：0.1‑6%，澄清剂：0.05‑1%。本发明的超薄铝硅酸盐玻璃的厚度小于0.5mm，优选厚度小于0.1mm以下的超薄玻璃。通过调整玻璃的组成，制备的玻璃在不自爆的前提下具有足够的应力层深度，和表面压应力值，进而提高玻璃的柔性，减少玻璃的弯曲半径。本发明的超薄铝硅酸盐玻璃能很好地应用在柔性电子显示设备、可折叠屏设备以及可穿戴显示设备等领域，对显示器领域的发展有十分深远的影响。

Description

一种超薄铝硅酸盐玻璃及其制备方法、应用
技术领域
本发明属于铝硅酸盐玻璃制备领域，具体涉及一种化学钢化的超薄铝硅酸盐玻璃及其制备方法、应用。
背景技术
电子设备的开发利用不断加深，对电子设备提出了更高的要求，更薄、更轻成为了主流，近几年，随着可折叠手机和可穿戴柔性显示设备的出现，对电子屏幕保护玻璃的要求进一步提高，目前市面出现的折叠屏手机和柔性设备的显示屏幕主要使用的是树脂材料做盖板，相比于以玻璃材料为盖板的屏幕，树脂材料做的屏幕更容易划伤和损坏，所以柔性玻璃的概念被提出，不仅兼具了玻璃的优点，同时可弯曲的特性使它应用于可折叠设备的和柔性显示设备成为可能。柔性玻璃指的是玻璃厚度为0.1mm及以下的玻璃。玻璃为脆性材料，但当厚度降低到一定程度后，使得玻璃能够具有弯曲的性能，例如，肖特所生产的AS 87eco的最小厚度为30μm，具有很好的弯曲性能。
柔性玻璃在使用前，需要对玻璃表面进行化学钢化处理，不仅能增强玻璃强度，减少玻璃的划伤和破损，同时表面应力的增强可以增大玻璃的弯曲性能。玻璃的化学钢化是通过离子交换来增加玻璃的表面压应力，同时，随着应力层的增加，玻璃内部的张应力也在逐渐增加，中心张应力(CT)的关系式为：CT=CS×DoL/(d-2DoL)，其中CS为表面压应力，DoL为应力层深度，d为玻璃的厚度。从关系式中可以看出，当表面压应力(CS)和应力层深度(DoL)不变的情况下，随着玻璃的厚度下降，中心张应力(CT)会逐渐增大，当达到玻璃本身的极限值时，就会发生自爆，可以看出，玻璃的厚度越薄，玻璃化学钢化后自爆的可能性越大。
现有的技术中，为了提高玻璃的强度，往往采用高铝玻璃来制备超薄玻璃，这就使得，化学钢化柔性玻璃的表面张应力很高，这就导致柔性玻璃的钢化程度只能控制在30μm以下，应力层深度小，使得玻璃的玻璃表面性能降低，制成的屏幕容易被划伤和破坏，且应力层越小，玻璃的可弯曲性就会降低，弯曲半径就会增大。目前市面上生产的超薄盖板玻璃均为高铝成分，其中氧化铝的含量≥13wt%，可以很大程度地提升化学钢化时离子交换的速度和交换深度，从而增大表面压应力(CS)和应力层深度(DoL),但高铝玻璃的粘度大，烧结温度高，其熔化温度(T2)≥1650℃，工作温度(T4)≥1250℃，这不利于玻璃液的澄清和均化，且拉薄成型困难，使得良品率不高，大大增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超薄铝硅酸盐玻璃，通过设计新的铝硅酸盐玻璃配方，来制备更易于生产的超薄铝硅酸盐玻璃。
本发明还提供了一种超薄铝硅酸盐玻璃的制备方法。
本发明还提供了一种超薄铝硅酸盐玻璃在柔性电子显示设备、可折叠屏设备以及可穿戴显示设备中的应用。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：
本发明提供了一种超薄铝硅酸盐玻璃，其特征在于，是由以下质量百分比的原料组成：SiO2：55-70%，A12O3：5-21%，MgO：2-8%，Na2O：8-17%，K2O+Li2O：0.1-3%，ZrO2：0.1-2%，P2O5：0.1-6%，澄清剂：0.05-1%。
本发明所使用的澄清剂选自氧化亚锡、氧化锡、硝酸盐、氯化钠中的一种或几种。
进一步的，所述SiO2和A12O3需要满足的条件为，他们的含量之和为62-79%，SiO2：A12O3的质量比为(7~13):1；所述Na2O+K2O+Li2O的含量为9-17%，所述Na2O：K2O的质量比为(5~14)：1，所述K2O：Li2O的质量比为 (0.8~2.5)：1；所述ZrO2：P2O5的质量比为1: (1~6)。
本发明制备的超薄铝硅酸盐玻璃：当玻璃板厚≤0.1mm，CTE≤10×10-6/K，HV：500～700MPa，密度：2.35～2.52g/cm2；所述的超薄硅铝酸盐玻璃表面压应力CS可达：350～950MPa，应力层深度DoL为：10～30μm，玻璃板的中心张应力CT≤150MPa，CS与CT满足的条件为：CS/CT≥5；当玻璃板厚≤0.08mm，CTE≤10×10-6K，HV：500～700MPa，密度：2.35～2.52g/cm2；所述的超薄硅铝酸盐玻璃表面压应力CS可达：350～950MPa，应力层深度DoL为：5～20μm，玻璃板的中心部位张应力CT≤180MPa，CS与CT满足的条件为：CS/CT≥3。
本发明还提供了一种上述的超薄铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述超薄铝硅酸盐玻璃的制备方法熔化温度(T2)为：1550-1680℃，工作温度(T4)为：1080-1250℃。
本发明所使用的成型的方法选自狭缝下拉法成型、二次下拉法成型、浮法成型、溢流法成型或化学减薄法成型。
上述钢化为在350-450℃温度下钢化0.2-8h。
本发明还提供了一种上述超薄铝硅酸盐玻璃在柔性电子显示设备、可折叠屏设备以及可穿戴显示设备中的应用
SiO2为玻璃的网络形成体，构成铝硅酸盐玻璃的网络骨架，SiO2的含量增加能够玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的热稳定性，化学稳定性、硬度和机械强度，但其含量不易过高，否则玻璃的析晶倾向会增大，不利于玻璃的成型。
A12O3在玻璃中能够起到提高玻璃结构的稳定性和化学稳定性的作用，A12O3含量能够提高玻璃的力学性能，同时，能够加快化学钢化时离子交换的速度，提高生产效率。但A12O3的含量不易过高，A12O3的增加，使得玻璃的粘度增加，熔化温度和成型温度升高，不利于玻璃拉薄成型。本发明的超薄铝硅酸盐玻璃则降低了A12O3的量，熔化温度比市面上的高铝玻璃降低了许多，有利玻璃的拉薄成型，帮助企业节约能耗的同时，降低了对设备的损耗。
MgO作为玻璃结构的网络调整体，有助于提高玻璃的化学稳定性和机械强度，同时，MgO能够降低玻璃的析晶倾向，改善玻璃的成型性能，促进超薄铝硅酸盐玻璃的拉薄成型。
Na2O为玻璃结构中的网络外体，其含量增加能够降低玻璃的粘度，是良好的助溶剂，同时，本发明中添加Na2O最重要的一个目的之一是引入Na+作为化学钢化离子交换的被交换对象。但是，玻璃的结构中Na2O的增加，也会导致玻璃的热膨胀系数增大，降低化学稳定和机械强度。所以，本发明的超薄铝硅酸盐玻璃中加入的Na2O的含量优选范围为：8-17%。
K2O为玻璃结构中的网络外体，能够降低玻璃的析晶性能，对玻璃的透明度和表面光泽有促进作用。
Li2O为玻璃结构中的网络外体，能够降低玻璃的溶制温度，提高产品的质量，同时，Li+对化学钢化的离子交换有促进作用，增加钢化效果，减少钢化时间。
ZrO2能够提升玻璃的硬度，促进玻璃的化学钢化，提高化学钢化深度，但是，ZrO2在铝硅酸盐玻璃中的溶解程度有限，所以需要在原料中引入一定量的P2O5来促进ZrO2的溶解，同时ZrO2的含量不易过多，否则会使玻璃溶制困难。
P2O5为助溶剂，促进ZrO2的溶解，进而促进玻璃的化学钢化。
澄清剂的引入，则是为了降低玻璃的粘度，促进玻璃液中气泡的排出，澄清剂包括：氧化亚锡、氧化锡、硝酸盐、氯化钠，其中本发明优选氧化锡作为澄清剂，优选含量为：0.05~0.3%，直径≥0.5mm的气泡数量：每平方米0~10个。
进一步地，本发明的超薄铝硅酸盐玻璃的成型厚度小于0.5mm，其中成型的优选方法包括：狭缝下拉法成型，二次下拉法成型、浮法成型、溢流法成型和化学减薄法成型。
进一步地，本发明的超薄铝硅酸盐玻璃，其化学钢化处理时的试剂为硝酸钾熔盐，化学钢化的温度和时间由超薄铝硅酸盐玻璃板的厚度所决定：0.25-0.5mm的超薄玻璃其化学钢化的时间范围为：3-8h，化学钢化的温度范围为：350-500℃；0.25-0.1mm的超薄玻璃其化学钢化的时间范围为：1-5h，化学钢化的温度范围为：350-430℃；0.1mm及以下的超薄玻璃其化学钢化的时间范围为：0.2-3h，化学钢化的温度范围为：350-410℃。
本发明通过以铝硅酸盐玻璃体系为基础，重新设计了玻璃组分中原料的组成，使得本发明的超薄铝硅酸盐玻璃，适当降低化学钢化后的表面应力的同时，能够兼具较低的热膨胀性，以及相对较的熔化和成型温度。这些性能使得本发明的铝硅酸盐玻璃配方更适合生产柔性玻璃。
本发明的超薄铝硅酸盐玻璃与市面上的高铝的铝硅酸盐玻璃相比，具有较优的柔性，较低的热膨胀性，较低的熔融温度以及较低的成型温度，有利于玻璃的拉薄成型。除此之外，本发明的超薄铝硅酸盐玻璃在化学钢化时，兼顾一定应力层深度的同时，自爆的可能性较低，使得良品率较高，能够大大降低生产成本，带来较大的经济效益。
本发明的优点在于，本发明的超薄铝硅酸盐玻璃的厚度小于0.5mm，进一步优选的厚度为0.1mm以下，通过与现有的超薄玻璃生产工艺相比，通过调整玻璃的组成，来降低化学钢化后的表面张应力，从而使玻璃在不自爆的前提下具有足够的应力层深度，进而提高玻璃的柔性，减少玻璃的弯曲半径。本发明的超薄铝硅酸盐玻璃能很好地应用在柔性电子显示设备、可折叠屏设备以及可穿戴显示设备等领域，对显示器领域的发展有十分深远的影响。
具体实施方式
下面将结合具体实施案例来进一步对本发明进行解释，使本发明的技术方案和优点能更加清楚明白，需要说明的是实施例仅仅是为了更好地解释说明，述所的实施例也仅仅是部分实施例，而不是本发明包含的所有实施例，并不局限于本发明。
本发明的一种超薄铝硅酸盐玻璃中的各组分的质量百分比含量为：SiO2的含量为：55-70%，A12O3的含量为：5-21%，MgO的含量为：2-8%，Na2O的含量为：8-17%，K2O+Li2O的含量为：0.1-3%，ZrO2的含量为：0.1-2%，P2O5的含量为：0.1-6%，澄清剂的含量为：0.05-1%。
实施例的主要制备步骤如下：
(1)熔制：将原料升温至1550-1680℃。
(2)成型：选择狭缝下拉法成型、二次下拉法成型、浮法成型、溢流法成型或化学减薄法成型。
(3)钢化：将玻璃放入硝酸钾熔盐中，钢化时间为：0.2-8h，温度为：350-450℃。
(4)测试：对玻璃试样的各项性能进行测试，包括：密度、CTE、膨胀测试、粘度测试、应力测试。
实施例1
一种超薄铝硅酸盐玻璃中的各组分的质量百分比含量为：SiO2的含量为：65.5%；A12O3的含量为：8.5%；MgO的含量为：7.2%；Na2O的含量为：15.4%；K2O的含量为：1.4%；ZrO2的含量为：0.3%；P2O5的含量为：1.5%；SnO2的含量为：0.2%。
实施例2
一种超薄铝硅酸盐玻璃中的各组分的质量百分比含量为：SiO2的含量为：60.5%；A12O3的含量为：12.5%；MgO的含量为：6%；Na2O的含量为：15%；K2O的含量为：1.5%；Li2O的含量为：0.5%；ZrO2的含量为：0.3%；P2O5的含量为：3.5%；SnO2的含量为：0.2%。
实施例3
一种超薄铝硅酸盐玻璃中的各组分的质量百分比含量为：SiO2的含量为：63.8%；A12O3的含量为：11%；MgO的含量为：5.6%；Na2O的含量为：15.3%；K2O的含量为：1.4%；Li2O的含量为：0.1%；ZrO2的含量为：0.3%；P2O5的含量为：2.2%；SnO2的含量为：0.3%。
实施例4
一种超薄铝硅酸盐玻璃中的各组分的质量百分比含量为：SiO2的含量为：63%；A12O3的含量为：10.3%；MgO的含量为：6.8%；Na2O的含量为：15.1%；K2O的含量为：1.2%；Li2O的含量为：0.2%；ZrO2的含量为：0.2%；P2O5的含量为：2.9%；SnO2的含量为：0.3%。
实施例5
一种超薄铝硅酸盐玻璃中的各组分的质量百分比含量为：SiO2的含量为：63.8%；A12O3的含量为：8.6%；MgO的含量为：7.5%；Na2O的含量为：14.5%；K2O的含量为：2%；Li2O的含量为：0.1%；ZrO2的含量为：0.2%；P2O5的含量为：3%；SnO2的含量为：0.3%。
对比例1
对比例各组分的百分比含量为：SiO2的含量为：61.4%；A12O3的含量为：17.7%；MgO的含量为：3.9%；Na2O的含量为：12.8%；K2O的含量为：4.2%。
对比例2
对比例各组分的质量百分比含量为：SiO2的含量为：62%；A12O3的含量为：15%；MgO的含量为：3%；Na2O的含量为：15.5%；K2O的含量为：1.5%；ZnO的含量为：3%。
对比例3
对比例各组分的质量百分比含量为：SiO2的含量为：65%；A12O3的含量为：17%；MgO的含量为：2%；Na2O的含量为：13%；K2O的含量为：2.5%；SnO2的含量为：0.5%。表1提供了5组实施例以及2组对比例组分。
表2提供了5组实施例以及2组对比例性能测试结果。
表1为5组实施例以及2组对比例组分表
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2为5组实施例以及2组对比例性能测试结果
Figure 505490DEST_PATH_IMAGE002

Claims (8)

1.一种超薄铝硅酸盐玻璃，其特征在于，是由以下质量百分比的原料组成：SiO2：55-70%，A12O3：5-21%，MgO：2-8%，Na2O：8-17%，K2O+Li2O：0.1-3%，ZrO2：0.1-2%，P2O5：0.1-6%，澄清剂：0.05-1%。
2.根据权利要求1所述的超薄铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述澄清剂选自氧化亚锡、氧化锡、硝酸盐、氯化钠中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的超薄铝硅酸盐玻璃，其特征在于，其特征在于，所述SiO2和A12O3的含量之和为62-79%；所述Na2O+K2O+Li2O的含量为12-17%，所述Na2O：K2O的质量比为(5~14)：1。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超薄铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述超薄铝硅酸盐玻璃：当玻璃板厚≤0.1mm，CTE≤10×10-6/K，HV：500～700MPa，密度：2.35～2.52g/cm2；所述的超薄硅铝酸盐玻璃表面压应力CS可达：350～950MPa，应力层深度DoL为：10～30μm，玻璃板的中心张应力CT≤150MPa，CS与CT满足的条件为：CS/CT≥5；当玻璃板厚≤0.08mm，CTE≤10×10-6K，HV：500～700MPa，密度：2.35～2.52g/cm2；所述的超薄硅铝酸盐玻璃表面压应力CS可达：350～950MPa，应力层深度DoL为：5～20μm，玻璃板的中心部位张应力CT≤180MPa，CS与CT满足的条件为：CS/CT≥3。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的超薄铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述超薄铝硅酸盐玻璃的制备方法熔化温度(T2)为：1550-1680℃，工作温度(T4)为：1080-1250℃。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述成型的方法选自狭缝下拉法成型、二次下拉法成型、浮法成型、溢流法成型或化学减薄法成型。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述钢化为在350-450℃温度下钢化0.2-8h。
8.一种如权利要求1所述的超薄铝硅酸盐玻璃在柔性电子显示设备、可折叠屏设备以及可穿戴显示设备中的应用。
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