CN112645600B - 微晶玻璃及化学强化微晶玻璃 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种微晶玻璃,以及由该微晶玻璃进行化学强化得到的化学强化微晶玻璃。所述微晶玻璃是由基材玻璃通过核化工艺和晶化工艺制备所得;所述基材玻璃进行化学强化后在内部形成的张应力层中的张应力最大值为CT1,所述微晶玻璃在相同的条件下进行化学强化后在内部形成的张应力层中的张应力最大值为CT2;所述基材玻璃进行化学强化后在表面形成的压应力层的深度为DOL1,所述微晶玻璃在相同的条件下进行化学强化后在表面形成的压应力层的深度为DOL2;其中,CT2/CT1为0.4~0.7或DOL2/DOL1为0.8~0.99。所述微晶玻璃的结晶度可平衡其自身的机械强度和化学强化性能,其进行化学强化后可得到抗划伤性能、抗跌落性能及安全性优越的化学强化微晶玻璃。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃技术领域,具体涉及微晶玻璃领域,更具体而言,涉及微晶玻璃及化学强化微晶玻璃。
背景技术
在手机、平板等其他各种带有触摸屏面板的移动电子设备上,通常铝含量较高的碱铝硅酸盐玻璃材料作为盖板,以起到保护显示屏幕的作用。
目前,为提高玻璃盖板的抗划伤与抗跌落性能,通常会对玻璃进行强化,制备成强化玻璃。在玻璃表面引入表面压应力是一种对玻璃进行强化的常用方法。引入表面应压力的方法可以通过物理或者化学的方法来实现,故而可以分为物理强化法和化学强化法。其中,化学强化法也称为离子交换法,主要过程是将玻璃浸入到碱离子熔盐中进行离子交换。由于碱离子熔盐中的碱金属离子的半径比玻璃中的碱金属离子的半径更大,故而当两种碱金属离子经过离子交换之后,半径较大的碱金属离子在玻璃表面产生“挤塞”效应,从而在玻璃表面形成一定深度的压应力层。该压应力层能在一定程度上提高玻璃的表面硬度,抵消外来冲击,阻止微裂纹的扩展,从而提升玻璃的抗划伤与抗跌落等性能。
但随着移动电子设备的显示屏幕尺寸的日益增大,玻璃盖板掉落破碎的风险越来越大。导致,现有常规的由碱铝硅酸盐玻璃进行化学强化制得的玻璃盖板也难以满足实际应用的需求。
鉴于微晶玻璃相比碱铝硅酸盐玻璃具有更好的力学性能,业内尝试以微晶玻璃为原料玻璃进行化学强化,以期获取抗划伤与抗跌落等性能能够满足当前需求的玻璃盖板。然而,现有的微晶玻璃存在的问题在于:在析晶过程中,可用于离子交换的碱金属离子会参与析晶。当碱金属离子作为晶体结构的组成部分时,在离子交换过程中,会使得离子交换变慢变难。特别是结晶程度较高的微晶玻璃,过多的碱金属离子参与了析晶,导致其化学强化性能急剧降低,由其进行化学强化得到的玻璃盖板抗划伤与抗跌落等性能难以得到进一步提升;或者结晶程度较低的微晶玻璃,增大了玻璃态中的碱金属离子,利于离子交换,但晶体较少会导致自身机械强度下降,即使进行化学强化也难以获得抗跌落性能和表面抗划伤性能足够优异的玻璃盖板。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对上述现有技术中的问题,提供一种结晶程度可平衡本征强度与离子交换性能的微晶玻璃,由所述微晶玻璃进行化学强化可得到抗跌落性能和表面抗划伤性能优越的化学强化微晶玻璃。
本发明要解决的另一个技术问题在于,提供一种化学强化微晶玻璃,其可作为显示屏幕的玻璃盖板,且能够满足市场对的日益高涨的抗跌落性能和表面抗划伤性能的需求。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是提供一种微晶玻璃,所述微晶玻璃是由基材玻璃通过核化工艺和晶化工艺制备所得;所述基材玻璃进行化学强化后在内部形成的张应力层中的张应力最大值为CT1,所述微晶玻璃在相同的条件下进行化学强化后在内部形成的张应力层中的张应力最大值为CT2;所述基材玻璃进行化学强化后在表面形成的压应力层的深度为DOL1,所述微晶玻璃在相同的条件下进行化学强化后在表面形成的压应力层的深度为DOL2;其中,CT2/CT1为0.4~0.7或DOL2/DOL1为0.8~0.99。
通过采用上述技术方案中的微晶玻璃,通过控制CT2/CT1或DOL2/DOL1 的数值范围来得到结晶程度适当的微晶玻璃,既使得所述微晶玻璃自身具有足够高的杨氏模量及维氏硬度以确保其抗划伤性能优越,同时,又确保所述微晶玻璃可通过化学强化获得足够高的内应力,以使其抗跌落性能可以得到大幅提升。具有适当结晶程度的微晶玻璃进行离子交换后,内部的玻璃体所承受的应力不至于过于集中,玻璃体网络结构承担的压力不至于过大,玻璃体的安全性相对较高,从而确保由所述微晶玻璃强化所得到的化学强化微晶玻璃始终保持安全状态,且破碎后碎片尺寸较大而不影响显示。
优选的,所述微晶玻璃在强化中可获得的张应力线密度最大值大于等于25000MPa/mm。所述微晶玻璃的经化学强化后所获得的张应力线密度越高,说明内应力也越高,越有利于所述微晶玻璃获得更优的抗跌落性能。
优选的,所述微晶玻璃的分叉阈值大于等于40000MPa/mm。超高的分叉阀值可保证微晶玻璃获得25000MPa/mm以上的CT-LD的情况下具有高的抗跌落性能,并保持微晶玻璃在跌落破碎后或者进行张应力释放实验中破碎的颗粒在二维图纸上的垂直投影平均大小在10mm以上,不至于碎片颗粒过小,带来安全隐患,提高了微晶玻璃的张应力安全性。
优选的,所述微晶玻璃的维氏硬度是所述基材玻璃的维氏硬度的1.05~ 1.3倍,所述微晶玻璃的杨氏模量是所述基材玻璃的杨氏模量的1.05~1.2倍。从而进一步确保所述微晶玻璃经过化学强化后的抗跌落强度可以得到大幅提高。
作为本发明的微晶玻璃的另一种优选方案,所述微晶玻璃包含晶体,所述晶体包括作为主晶相的二硅酸锂晶体或硅酸锂晶体,所述晶体还包括金红石、钛酸锆、尖晶石晶体、锌尖晶石晶体和β-石英固溶体中的一种或多种。优选的,所述微晶玻璃中主晶相占晶体比例为80%以上。也就是说,所述微晶玻璃以二硅酸锂晶体或硅酸锂晶体为主晶相,且占晶体比例的80%以上。
优选的,所述晶体的平均粒径小于等于100nm。晶体的平均粒径小于等于 100nm可以提高微晶玻璃的透过率,更好的满足作为显示屏幕盖板的要求。更优选的,所述晶体的平均粒径在20nm至70nm之间。晶体的平均粒径越小微晶玻璃的透过率则越高,使得其厚度即使大于1mm时,其全光谱平均透过率也可以达到88%以上。
作为本发明的微晶玻璃的又一种优选方案,以质量百分比计,所述微晶玻璃含有:
SiO2:60~76%;
Al2O3:3~15%;
B2O3:0~3%;
P2O5:0~3%;
MgO:0~5%;
CaO:0~2%;
ZnO:0~3%:
ZrO2:1~6%;
TiO2:0~6%;
Na2O:0.5~5%;
K2O:0~2%;
Li2O:8~25%。
通过控制所述微晶玻璃中各个组分之间的相互关系,尽可能的减少微晶玻璃形成过程中Li+、K+在析晶过程中的参与,从而使得所述微晶玻璃具有良好的可化学强化的性能。
优选的,以质量百分比计,所述微晶玻璃中SiO2的含量为65~76%,Al2O3的含量为4~10%。
优选的,以质量百分比计,所述微晶玻璃中TiO2+ZrO2含量为2~5%。
优选的,以质量百分比计,所述微晶玻璃中Li2O的含量为10~22%。
优选的,以质量百分比计,所述微晶玻璃中MgO的含量为1~5%, CaO+ZnO含量为小于等于1%,B2O3+P2O5的含量小于等于4%,Na2O的含量为1-4%。
为解决上述的另一个技术问题,本发明所采用的技术方案是提供一种化学强化微晶玻璃,所述化学强化微晶玻璃通过对如上所述的微晶玻璃进行化学强化制备所得。
优选的,所述化学强化微晶玻璃通过对如上所述的微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行单步或多步强化所得,所述化学强化微晶玻璃的表面压应力小于等于500MPa。从而,所述化学强化微晶玻璃能够满足作为显示屏幕保护盖板的强度要求。
优选的,所述化学强化微晶玻璃的距离表面深度为L处的压应力为250MPa,其中,L大于等于4μm。如此可确保所述化学强化微晶玻璃具有一定的抗冲击强度和耐划伤性能。
优选的,所述化学强化微晶玻璃通过对如上所述的微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行单步强化所得,所述单步强化的时间为t;所述微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行化学强化以获得深度最大的表面压应力层所需的时间为tmax;其中,t/tmax为1~2。从而确保所述化学强化微晶玻璃获得更好的强度同时具有良好的安全性。
优选的,所述化学强化微晶玻璃通过对上述的微晶玻璃在温度大于等于 420℃的化学强化盐浴中进行多步强化所得,所述多步强化包括第一步强化,所述第一步强化的时间为t1;所述微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行化学强化以获得深度最大的表面压应力层所需的时间为tmax;其中, t1/tmax为1~2。从而确保所述化学强化微晶玻璃获得更好的强度同时具有良好的安全性。
优选的,所述化学强化微晶玻璃的立即断裂后的断面痕带宽度小于玻璃厚度的25%。
优选的,所述化学强化微晶玻璃在进行跌落测试时,破碎率小于等于20%。如此,所述化学强化微晶玻璃从高处掉落不易破碎。
优选的,所述化学强化微晶玻璃在单杆静压测试时,破碎压力大于等于 330N。如此,所述化学强化微晶玻璃可以承受较大的压力而不破碎。
附图说明
图1为单杆静压测试的示意图。
具体实施方式
本申请的微晶玻璃是以碱铝硅酸盐体系玻璃作为基材玻璃通过核化工艺和晶化工艺制备所得。其中,碱铝硅酸盐玻璃一般包括Al2O3、SiO2、二价金属氧化物(例如MgO、CaO、或ZnO等),以及碱金属元素(例如Na、Li等)。所述的核化工艺,是将基材玻璃于一定高温条件下热处理一段时间,形成晶核;所述的晶化工艺,是将形成晶核的基材玻璃于一定高温条件下热处理一段时间,析出晶体。申请人通过大量的实验研究发现,微晶玻璃的结晶程度同时影响着其自身的本征强度和其可化学强化性能,具体来说,结晶程度的增大,一方面使得微晶玻璃内部的晶相越多,越有利于微晶玻璃的本征强度的增强;另一方面会导致微晶玻璃内部过多的碱金属离子(例如钠离子、锂离子)参与到析晶过程,不利于化学强化性能的提高。这里说的本征强度指的是微晶玻璃的杨氏模量及维氏硬度;可化学强化性能是指微晶玻璃在化学强化盐浴中进行离子交换的性能。在这里,可化学强化性能与微晶玻璃进行化学强化后获取的内应力的最高值呈正相关关系,也就是说,微晶玻璃的可化学强化性能越高,其进行化学强化后能够获取的内应力的最高值也越大。而我们知道,玻璃的抗跌落强度同时受到本征强度和内应力的影响,玻璃的本征强度越大其抗跌落强度越大,内应力越大其抗跌落强度也越大。因此,为了能够使微晶玻璃的抗跌落强度得到大幅提升,我们不仅希望微晶玻璃自身的本征强度足够大,同时还希望微晶玻璃能够通过化学强化在内部获的足够大的内应力。也就是说,我们需要一种结晶程度适当的以使微晶玻璃既有足够强的本征强度又有优越的可化学强化性能。而为了使微晶玻璃的结晶程度能够达到恰当的值,就需要找到能够准确表征微晶玻璃的结晶程度的指标。申请人通过研究得出,CT2/CT1的值能够准确的表征微晶玻璃的结晶程度,其中,CT1为所述基材玻璃进行化学强化后在内部形成的张应力层中的张应力最大值,CT2为所述微晶玻璃在相同的条件下进行化学强化后在内部形成的张应力层中的张应力最大值。而且通过研究总结得出,当CT2/CT1的值为0.4~0.7时,微晶玻璃的结晶程度可平衡本征强度与化学强化性能,这种微晶玻璃的杨氏模量及维氏硬度相对于对应的基材玻璃均有大幅提高,而且还具有很好的可化学强化性,其经化学强化后可以在内部获得足够高的内应力,从而确保所述微晶玻璃经过化学强化后的抗跌落强度可以得到大幅提高。另外,申请人通过研究得出,DOL2/DOL1的值也能够准确的表征微晶玻璃的结晶程度,其中,DOL1为所述基材玻璃进行化学强化后在表面形成的压应力层的深度,DOL2为所述微晶玻璃在相同的条件下进行化学强化后在表面形成的压应力层的深度。而且通过研究总结得出,当 DOL2/DOL1的值为0.8~0.99时,微晶玻璃的结晶程度可平衡本征强度与化学强化性能,如此,进一步确保所述微晶玻璃经过化学强化后的抗跌落强度可以得到大幅提高。
在一些实施例中,所述微晶玻璃在强化中可获得的张应力线密度最大值大于等于25000MPa/mm,优选为30000MPa/mm、31000MPa/mm、32000MPa/mm、 33000MPa/mm、34000MPa/mm、35000MPa/mm、36000MPa/mm、 37000MPa/mm、38000MPa/mm、39000MPa/mm、40000MPa/mm、41000MPa/mm、42000MPa/mm、43000MPa/mm、44000MPa/mm、 45000MPa/mm、46000MPa/mm、47000MPa/mm甚至更高。张应力线密度 (CT-LD)是指:根据SLP应力仪测试获得玻璃在其厚度截面下,其张应力积分与厚度的比值;化学强化微晶玻璃中压应力与张应力为平衡相等的关系,而 SLP-1000应力仪对玻璃的张应力区域更为精准,故采用张应力积分与厚度比值表征玻璃单位厚度下容纳的应力大小,用来表征化学强化微晶玻璃的应力程度。所述微晶玻璃的经化学强化后所获得的张应力线密度越高,说明内应力也越高,越有利于所述微晶玻璃获得更优的抗跌落性能。
在一些实施例中,所述微晶玻璃的分叉阈值大于等于40000MPa/mm,所述微晶玻璃的分叉阈值优选为47000MPa/mm、48000MPa/mm、49000MPa/mm、 50000MPa/mm、51000MPa/mm、52000MPa/mm、53000MPa/mm、 54000MPa/mm、55000MPa/mm、56000MPa/mm、57000MPa/mm、58000MPa/mm、59000MPa/mm、60000MPa/mm甚至更高。分叉阈值指的是:当采用张应力释放实验的方法冲击玻璃时,玻璃开裂时恰好由自身的应力使其裂纹分叉,此时的张应力线密度值即为玻璃的分叉阈值。其中的张应力释放实验是指:强化后的玻璃采用维氏金刚石钻头并采用导轨固定确保钻头垂直冲击玻璃表面,冲击采用气压传导,调节气压并结合压力传感器控制冲击力大小,并且根据玻璃的厚度调节高度导轨从而控制钻头侵入深度;使得破坏点仅延伸两条裂纹而非产生星爆,最大程度避免外力对破坏状态的影响,最后通过观察玻璃破坏状态,来判断玻璃的张应力安全性。超高的分叉阀值可保证微晶玻璃获得25000MPa/mm以上的CT-LD的情况下具有高的抗跌落性能,并保持微晶玻璃在跌落破碎后或者进行张应力释放实验中破碎的颗粒在二维图纸上的垂直投影平均大小在10mm以上,不至于碎片颗粒过小,带来安全隐患,提高了微晶玻璃的张应力安全性。
在一些实施例中,所述微晶玻璃的维氏硬度是所述基材玻璃的维氏硬度的 1.05~1.3倍,所述微晶玻璃的杨氏模量是所述基材玻璃的杨氏模量的1.05~ 1.2倍。申请人通过研究得出,所述微晶玻璃的维氏硬度和对应的所述基材玻璃的维氏硬度的比例,以及所述微晶玻璃的杨氏模量和对应的所述基材玻璃的杨氏模量的比例可以准确的表征微晶玻璃的结晶程度。而且通过研究总结得出,当所述微晶玻璃的维氏硬度是所述基材玻璃的维氏硬度的1.05~1.3倍,且所述微晶玻璃的杨氏模量是所述基材玻璃的杨氏模量的1.05~1.2倍时,微晶玻璃的结晶程度可平衡本征强度与化学强化性能,如此,进一步确保所述微晶玻璃经过化学强化后的抗跌落强度可以得到大幅提高。
在一些实施例中,本申请的微晶玻璃的厚度为0.4mm至2.1mm之间。以使所述微晶玻璃可以满足作为显示屏幕的轻薄的要求。优选的,微晶玻璃的厚度为0.4mm-1.1mm,在这一厚度范围内,微晶玻璃的全光谱平均透过率为88%以上,优选为89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%甚至更高。
在一些实施例中,所述微晶玻璃包含晶体,所述晶体包括作为主晶相的二硅酸锂晶体或硅酸锂晶体,所述晶体还包括金红石、钛酸锆、尖晶石晶体、锌尖晶石晶体和β-石英固溶体中的一种或多种。优选的,所述微晶玻璃中主晶相占晶体比例为80%以上。也就是说,所述微晶玻璃中主晶相的数量为所述晶体总量的80%以上。以二硅酸锂晶体或硅酸锂晶体为主晶相的且结晶程度恰当的微晶玻璃经过化学强化后可获得更加优异的抗砂面冲击高度和单杆静压强度,具体讲,以二硅酸锂或者硅酸锂晶体作为主晶相的微晶玻璃的结晶过程更为可控,晶体尺寸小但结晶程度不会过低,可以获得结晶程度更加适合的微晶玻璃。
在一些实施例中,优选的,所述晶体的平均粒径小于等于100nm。晶体的平均粒径小于等于100nm可以提高微晶玻璃的透过率,更好的满足作为显示屏幕盖板的要求。更优选的,所述晶体的平均粒径在20nm至70nm之间。晶体的平均粒径越小微晶玻璃的透过率则越高,使得其厚度即使大于1mm时,其全光谱平均透过率也可以达到88%以上。
本申请中的所述微晶玻璃中,以质量百分比计,含有如下组分:
SiO2:60~76%;
Al2O3:3~15%;
B2O3:0~3%;
P2O5:0~3%;
MgO:0~5%;
CaO:0~2%;
ZnO:0~3%;
ZrO2:1~6%;
TiO2:0~6%;
Na2O:0.5~5%;
K2O:0~2%;
Li2O:8~25%。
通过控制所述微晶玻璃中各个组分之间的相互关系,尽可能减少微晶玻璃形成过程中Li+、K+在析晶过程中的参与,从而使得微晶玻璃具有良好的可化学强化的性能。
在一些实施例中,以质量百分比计,所述微晶玻璃中SiO2的含量为65~ 76%,Al2O3的含量为4~10%。SiO2是玻璃网络架构主要部分,高含量的SiO2是保证玻璃具有高强度、耐热膨胀、化学稳定等优异性能,但过高的SiO2使玻璃更加难以熔融及成形;所以SiO2的含量优选为65~76%。Al2O3在玻璃中能形成[AlO4+]四面体并连接[SiO4+]网络架构的非桥氧,夯实网络架构,进一步提高玻璃强度和稳定性,并且[AlO4+]四面体体积较大,扩宽了网络架构空隙,利于后续的化学钢化工艺。Al2O3也是形成微晶的主要成分,尤其是β-石英固溶体,Al原子替代了β-石英中硅的位置并形成固溶体。但是过高的Al2O3会导致玻璃高温粘度的上升及生成大尺寸莫来石晶体导致玻璃失透。但如果要形成硅酸锂晶体或者二硅酸锂晶体,其铝含量需保持在低位;所以Al2O3的含量优选为4%~10%。
在一些实施例中,以质量百分比计,所述微晶玻璃中TiO2+ZrO2含量为2~ 5%。TiO2和ZrO2作为成核剂。在成核期间形成ZrO2与TiO2两种组分形成的化合物晶核;晶化期间,如二硅酸锂晶体、β-石英固溶体、尖晶石晶体等在这些晶核上生长。TiO2晶核剂能快速的形成晶体,但晶体尺寸过大,且用量过大会导致玻璃发黄,ZrO2晶核剂能快速形成大量晶体,但玻璃原料中ZrO2成分过高会导致高温粘度升高,难以澄清,因此,TiO2+ZrO2含量优选为1.5~5%。
在一些实施例中,以质量百分比计,所述微晶玻璃中Li2O的含量为10~ 22%。Li2O为化学强化中关键的交换离子,同时也是形成晶体的主要成分,因此需要足够含量的Li2O;但过量的Li2O会导致析晶过快,导致晶体尺寸无法控制。故Li2O的含量优选为10~22%。
在一些实施例中,以质量百分比计,所述微晶玻璃中MgO的含量为1~ 5%,CaO+ZnO含量为小于等于1%,B2O3+P2O5的含量小于等于4%,Na2O 的含量为1-4%。MgO具有高温助溶特性,有助于玻璃熔化,也是β-石英固溶体重要的组成部分,一定量的添加有益于β-石英固溶体的形成,在这里MgO 的添加量优选为1~5%。CaO与ZnO均可作为助溶剂,适量的CaO与ZnO 也可以抑制玻璃析晶快速长大,在玻璃晶化时防止晶体结构生长变得太粗,可以提高玻璃的热稳定性和化学稳定,在这里CaO+ZnO含量优选为小于等于 1%。B2O3与P2O5均作为玻璃网络架构补充体,适量的B2O3与P2O5可降低玻璃熔炼温度,即熔制温度,也可扩展玻璃网络架构孔隙,有利于离子交换过程中碱金属离子在玻璃内部的扩散,在这里B2O3+P2O5的含量优选为小于等于 4%。Na2O的一定量添加,可降低玻璃高温粘度,使玻璃更容易熔制,在这里Na2O的含量优选为1-4%。
本申请提供的化学强化微晶玻璃是通过对本申请的微晶玻璃进行化学强化制备所得。
优选的,所述化学强化微晶玻璃通过对如上所述的微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行单步强化或多步强化所得。其中,单步强化是指只进行一次化学强化,可以包括钾-钠离子交换和钠-锂离子交换中的一种或两种。多步强化是指进行多次化学强化,每次强化均可以包括钾-钠离子交换和钠-锂离子交换中的一种或两种。应当理解的是,钾-钠离子交换的意思是,化学强化中,盐浴中的钾离子取代玻璃中的钠离子;钠-钾离子交换的意思是,化学强化中,盐浴中的钠离子取代玻璃中的锂离子。
所述化学强化微晶玻璃的表面压应力小于等于500MPa。从而,所述化学强化微晶玻璃能够满足作为显示屏幕保护盖板的强度要求。优选的,所述化学强化微晶玻璃的距离表面深度为L处的压应力为250MPa,其中,L大于等于 4μm。以此保证所述化学强化微晶玻璃至少有4μm厚的表层高应力区,所述的表层高应力区是指玻璃表面的压应力层中压应力值大于等于250MPa的区域,从而确保所述化学强化微晶玻璃具有一定的抗冲击强度和耐划伤性能。
在一些实施例中,所述化学强化微晶玻璃通过对如上所述的微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行单步强化所得,所述单步强化的时间为t;所述微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行化学强化以获得深度最大的表面压应力层所需的时间为tmax;其中,t/tmax为1~2。申请人通过实验分析得出,只有当t大于等于tmax时才能保证化学强化微晶玻璃的表面压应力值小于等于500MPa,然而,当t大于2倍的tmax时,会导致化学强化微晶玻璃容易发生自爆,安全性低。因此,单步强化的时间t控制在1~2 倍的tmax之间最为合理。
在一些实施例中,所述的微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行多步强化所得,所述多步强化包括第一步强化,所述第一步强化的时间为t1;所述微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行化学强化以获得深度最大的表面压应力层所需的时间为tmax;其中,t1/tmax为1~2。从而确保所述化学强化微晶玻璃获得更好的强度同时具有良好的安全性。申请人通过实验分析得出,采用多步强化时,先通过第一步强化使得化学强化微晶玻璃获得最大的表面压应力值,然后在通过第二步强化对经第一步强化处理得到的化学强化微晶玻璃进行调整,适当降低化学强化微晶玻璃内部的张应力,从而兼顾化学强化微晶玻璃的强度与安全性。而只有将第一步强化的时间t1控制在1~2倍的tmax之间,才能保证通过第一步强化后的化学强化微晶玻璃的表面压应力值达到最大值。
优选的,所述化学强化微晶玻璃在进行跌落测试时,破碎率小于等于20%。这里的跌落测试过程是指:采用60×140×0.7mm的玻璃,在其背后贴附200g 的重块后,从1.6m的高度掉落到布置在大理石表面上的120目砂纸上。对所述化学强化微晶玻璃进行多次跌落测试发现,所述化学强化微晶玻璃掉落发生破碎的概率小于等于20%。也就是说,所述化学强化微晶玻璃从1.6m的高处掉落不易破碎,其能够满足作为显示屏幕保护盖板的耐摔的要求。
优选的,所述化学强化微晶玻璃在单杆静压测试时,破碎压力大于等于 330N。也就是说,所述化学强化微晶玻璃可以承受较大的压力而不破碎,其能够满足作为显示屏幕保护盖板的抗压的要求。这里的单杆静压测试是指:将待测玻璃制成直径为40mm的圆形,放置在内径为30mm、外径为50mm且横断面为半圆形的圆环上,然后用直径为10mm的圆头杆以1mm/s的恒定速度往下压置于圆环中的玻璃(参见图1),直至玻璃破碎,玻璃破碎时圆头杆对玻璃的作用力即为破碎压力(又称单杆静压强度)。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
实施例1-5
实施例1-5提供五种成分不同的基材玻璃,分别记为基材玻璃a、基材玻璃b、基材玻璃c、基材玻璃d、基材玻璃e。以质量百分比计,各实施例中的所述基材玻璃含有的组分如表1中所示。实施例1-5中的所述基材玻璃的厚度均为0.7mm。采用常规的检测方法分别对实施例1-5中的所述基材玻璃的维氏硬度和杨氏模量进行了检测,结果也在表1中示出。为了分析得出基材玻璃a、基材玻璃b、基材玻璃c、基材玻璃d和基材玻璃e通过化学强化后可获取的内应力最大值CT1和压应力层的深度DOL1,分别将基材玻璃a、基材玻璃b、基材玻璃c、基材玻璃d和基材玻璃e置于温度为450℃、组分为 90wt%NaNO3+10wt%KNO3的化学强化盐浴中进行离子交换5h后取出,由本领域常规仪器检测出各个基材玻璃经化学强化后所获得的CT1值和DOL1值。
表1
基材玻璃a | 基材玻璃b | 基材玻璃c | 基材玻璃d | 基材玻璃e | |
SiO<sub>2</sub>(%) | 69 | 65.5 | 66 | 67 | 73 |
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(%) | 4.5 | 7 | 4.5 | 9 | 10 |
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>(%) | 1 | 1 | 1 | 1.3 | - |
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(%) | 1.5 | 2 | 1.5 | 1.5 | 1.51 |
MgO(%) | - | 2.5 | 1.3 | - | - |
ZnO(%) | - | 1 | - | 1 | - |
ZrO<sub>2</sub>(%) | 2 | - | 1.7 | 1.2 | 2 |
TiO<sub>2</sub>(%) | - | 2 | 1 | - | - |
Na<sub>2</sub>O(%) | 1.5 | 3 | 3 | 4 | 3 |
K<sub>2</sub>O(%) | - | 1 | - | - | - |
Li<sub>2</sub>O(%) | 21 | 15 | 20 | 15 | 10 |
维氏硬度(HV) | 580 | 590 | 592 | 600 | 608 |
杨氏模量(kg/mm<sup>2</sup>) | 74 | 75 | 75 | 81 | 80 |
CT1(MPa) | 150 | 140 | 167 | 180 | 200 |
DOL1(μm) | 126 | 128 | 128 | 132 | 130 |
将实施例1-5中的基材玻璃a、基材玻璃b、基材玻璃c、基材玻璃d、基材玻璃e分别通过核化工艺和晶化工艺制备得到对应的微晶玻璃a、微晶玻璃 b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e。应当理解的是,的微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e的组分及含量分别与基材玻璃a、基材玻璃b、基材玻璃c、基材玻璃d、基材玻璃e相同。采用常规的检测方法分别对以上五种微晶玻璃进行了检测分析,得到了以上五种微晶玻璃的的维氏硬度、杨氏模量、晶相种类、主晶相、主晶相占比、晶体尺寸、分叉阈值,结果在表2中示出。为了分析得出微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e通过化学强化后可获取的内应力最大值CT2和压应力层的深度DOL2,分别将微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d 和微晶玻璃e置于温度为450℃、组分为100wt%NaNO3的化学强化盐浴中进行离子交换11h后取出,由本领域常规仪器检测出各个微晶玻璃经化学强化后获得的CT2值和DOL2值。内应力及压应力层优选的采用日本折原SLPl000 或者SLP2000应力进行测试。
表2
上表中主晶相占比指的是主晶相的数量为所述晶体总量的比值。
由表2可知,各微晶玻璃的结晶程度均控制在可使CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.4~0.7之间,同时可使DOL2为对应的基材玻璃的DOL1的0.8~ 0.99。对比表2和表1可以发现,微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e的杨氏模量和维氏硬度分别与基材玻璃a、基材玻璃b、基材玻璃c、基材玻璃d和基材玻璃e相比均有大幅提高。也就是说,结晶程度控制在可使CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.4~0.7之间的微晶玻璃自身具有较高的机械强度,使得其具备优越的抗划伤性能。
对比例1-4
对比例1-4分别提供了厚度均为0.7mm的基材玻璃f、基材玻璃g、基材玻璃h和普通锂铝硅玻璃。以质量百分比计,基材玻璃f、基材玻璃g、基材玻璃h和普通锂铝硅玻璃含有的组分如表3中所示。采用常规的检测方法分别对材玻璃f、基材玻璃g、基材玻璃h和普通锂铝硅玻璃的维氏硬度和杨氏模量进行了检测,结果也在表3中示出。为了分析得出基材玻璃f、基材玻璃g、基材玻璃h通过化学强化后可获取的内应力最大值CT1和压应力层的深度DOL1,分别将基材玻璃f、基材玻璃g、基材玻璃h置于温度为430℃、组分为100wt%NaNO3的化学强化盐浴中进行离子交换5h后取出,由本领域常规仪器检测出各个基材玻璃经化学强化后所获得的的CT1值和DOL1值。
表3
基材玻璃f | 基材玻璃g | 基材玻璃h | 普通锂铝硅玻璃 | |
SiO<sub>2</sub>(%) | 69 | 69 | 73 | 61 |
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(%) | 4.5 | 4.5 | 10 | 15 |
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>(%) | 0.82 | 0.82 | - | 2 |
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(%) | 1.51 | 1.51 | 1.51 | - |
MgO(%) | - | - | - | 2 |
ZnO(%) | - | - | - | - |
ZrO<sub>2</sub>(%) | - | 1.72 | 2 | - |
TiO<sub>2</sub>(%) | 1.72 | - | - | - |
Na<sub>2</sub>O(%) | 1.46 | 1.46 | 3 | 11 |
K<sub>2</sub>O(%) | - | - | - | 1 |
Li<sub>2</sub>O(%) | 21 | 21 | 10 | 8 |
维氏硬度(HV) | 602 | 594 | 588 | 594 |
杨氏模量(kg/mm<sup>2</sup>) | 74 | 74 | 74 | 75 |
CT1(MPa) | 150 | 150 | 200 | 75 |
DOL1(μm) | 126 | 126 | 130 | 132 |
将对比例1和对比例3中的基材玻璃f和基材玻璃h分别通过核化工艺和晶化工艺制备得到对应的微晶玻璃f和微晶玻璃h。采用常规的检测方法分别对微晶玻璃f和微晶玻璃h以及基材玻璃g和普通锂铝硅玻璃进行了检测分析,得到了微晶玻璃f和微晶玻璃h以及基材玻璃g和普通锂铝硅玻璃的维氏硬度、杨氏模量、晶相种类、主晶相、主晶相占比、晶体尺寸、分叉阈值、雾度以及介电常数,结果在表4中示出。为了分析得微晶玻璃f和微晶玻璃h通过化学强化后可获取的内应力最大值CT2和压应力层的深度DOL2,分别将微晶玻璃 f和微晶玻璃h置于温度为460℃、组分为100wt%NaNO3的化学强化盐浴中进行离子交换9h后取出,由本领域常规仪器检测出各个微晶玻璃经化学强化后获得的CT2值和DOL2值。
表4
对比表3和表4,可以发现微晶玻璃f和微晶玻璃h的杨氏模量和维氏硬度分别与基材玻璃f和基材玻璃h相比均有大幅提高。且微晶玻璃f的结晶程度控制在可使CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.23,同时可使DOL2为对应的基材玻璃的DOL1的0.90;微晶玻璃h的结晶程度控制在可使CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.87,同时可使DOL2为对应的基材玻璃的DOL1的0.98。
验证试验
分别将实施例1-5中的微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d 和微晶玻璃e以及对比例1-4中的微晶玻璃f、微晶玻璃h、基材玻璃g和普通锂铝硅玻璃进行单步或多步化学强化,得到化学强化微晶玻璃a、化学强化微晶玻璃b、化学强化微晶玻璃c、化学强化微晶玻璃d、化学强化微晶玻璃e、化学强化微晶玻璃f、化学强化微晶玻璃g、化学强化微晶玻璃h、化学强化微晶玻璃i。以上各微晶玻璃、基材玻璃和普通锂铝硅玻璃进行化学强化时所采用的盐浴类型、盐浴温度以及离子交换时间均在表5-7中示出。采用常规的检测仪器对上述的各个化学强化微晶玻璃的张应力线密度、表面压应力和压应力层的深度进行检测,结果在表5-7中示出。
抗砂面冲击高度是指一定尺寸的玻璃在负重情况下掉落在布置在大理石表面上的砂纸上而不破碎的最大高度。具体的检测方法如下:采用 60×140×0.7mm的玻璃,在其背后贴附200g的重块后,从1.0m的高度开始自由掉落到布置在大理石表面上的120目砂纸上,观察本玻璃的状态,若完好则提高0.1m后重新跌落,取最高不碎高度为抗砂面冲击高度。
痕带状态的检测方法:将化学强化微晶玻璃在立即断裂后,玻璃由于冲击,使得于张应力释放对玻璃内部结构产生的破坏现象,在显微镜中由无数凹坑点及撕裂区组成的肉眼可见的明显带状区域,肉眼可见的明显带状区域的宽度与化学强化微晶玻璃自身厚度的比值即为上述的痕带状态的值。立即断裂参见上文中的解释。
表5
表6
表7
需要解释的是,表5-7中所述的痕带是指:立即断裂后,玻璃由于冲击,使得于张应力释放对玻璃内部结构产生的破坏现象,在显微镜中由无数凹坑点及撕裂区组成的肉眼可见的明显带状区域。其中,立即断裂是指:采用张应力释放实验中,采用气动式传动,以恒定力将维氏硬度压头冲击玻璃表面,当玻璃冲击点只产生2-4条裂纹,为立即断裂。显然,痕带越窄表明玻璃的安全性能越高。
由表5和表6可以看到,分别由微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e强化所得到的化学强化微晶玻璃a、化学强化微晶玻璃b、化学强化微晶玻璃c、化学强化微晶玻璃d、化学强化微晶玻璃e均具有很高的单杆静压强度(357N-421N)和抗砂面冲击高度(1.7m-2m),而玻璃的单杆静压强度和抗砂面冲击高度越高就代表着玻璃的抗跌落性能越高。这就证明了结晶程度控制在可使CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.4~0.7之间的微晶玻璃进行化学强化后可得到抗跌落性能优越的化学强化微晶玻璃。
由表7可以看到,由基材玻璃g强化所得到的化学强化微晶玻璃g的抗砂面冲击高度为1.1m,远远小于化学强化微晶玻璃a、化学强化微晶玻璃b、化学强化微晶玻璃c、化学强化微晶玻璃d、化学强化微晶玻璃e的抗砂面冲击高度。也就是说,微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e经化学强化后的抗跌落强度远高于未微晶的基材玻璃g化学强化后的抗跌落强度。
由表7可以看到,由普通锂铝硅玻璃强化所得到的化学强化微晶玻璃i的单杆静压强度为351N,但是其表面压应力值高达850MPa。而化学强化微晶玻璃a、化学强化微晶玻璃b、化学强化微晶玻璃c、化学强化微晶玻璃d、化学强化微晶玻璃e的表面压应力值均在482MPa以下,单杆静压强度均可达到 357N以上。也就是说,微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e可用较低的表面压应力获得与普通锂铝硅玻璃经两步强化获得的单杆静压强度。特别是化学强化微晶玻璃b,其仅通过单步化学强化即可获得 357N的单杆静压强度,与普通锂铝硅玻璃需要经两步强化相比,这样可以节省生产成本、资料。
由表4可以看到,由微晶玻璃f的CT2仅为35MPa,仅为基材玻璃f的 CT1的0.23倍。也就是说,微晶玻璃f的结晶程度过高,这导致了由微晶玻璃f强化所得到的化学强化微晶玻璃f的内应力不足,其抗砂面冲击高度远低于化学强化微晶玻璃a、化学强化微晶玻璃b、化学强化微晶玻璃c、化学强化微晶玻璃d、化学强化微晶玻璃e的抗砂面冲击高度(见表5和表6),而抗砂面冲击高度低就意味着抗跌落强度弱。综上可知,当微晶玻璃的结晶程度使得CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.4倍以下时,其进行化学强化后所获得的抗跌落性能较弱。
由表4可以看到,由微晶玻璃h的CT2高达180MPa,为基材玻璃h的 CT1的0.9倍。也就是说,微晶玻璃h的结晶程度过低,导致其本征强度相比基材玻璃h的提高程度不大(见表3和表4)。从表7可以看到,由微晶玻璃h 强化所得到的化学强化微晶玻璃h的内应力虽然较高,但是其抗砂面冲击高度却较低(仅为1.3m),远低于化学强化微晶玻璃a、化学强化微晶玻璃b、化学强化微晶玻璃c、化学强化微晶玻璃d、化学强化微晶玻璃e的抗砂面冲击高度。而抗砂面冲击高度低就意味着抗跌落强度弱。综上可知,当微晶玻璃的结晶程度使得CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.7倍以上时,其进行化学强化后所获得的抗跌落性能较弱。另外,微晶玻璃h的结晶程度过低,导致其分叉阈值较低(见表4),其跌落后碎片状态多,影响消费者使用。
通过比对基材玻璃e和基材玻璃h的组成、微晶玻璃e和微晶玻璃h的分叉阈值、以及化学强化微晶玻璃e和化学强化微晶玻璃h的张应力线密度,可以发现由组分相同的基材玻璃进行核化工艺和晶化工艺后所得到的微晶玻璃中,结晶程度越高的微晶玻璃,分叉阈值也越高,进行化学强化后得到的化学强化微晶玻璃的张应力线密度越大,可安全容纳的内应力越多,即化学强化微晶玻璃越安全。
由表2可知,当微晶玻璃的结晶程度均控制在可使CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.4~0.7之间时,同时可使DOL2为对应的基材玻璃的DOL1的0.8~0.99。因此,我们还可以通过DOL2/DOL1的值对微晶玻璃的结晶程度进行控制。也就是说,结晶程度控制在可使DOL2为对应的基材玻璃的DOL1 的0.8~0.99之间的微晶玻璃自身具有较高的机械强度,使得其具备优越的抗划伤性能。
由表1和表2可知,在各自的结晶程度下,微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e的维氏硬度分别为基材玻璃a、基材玻璃b、基材玻璃c、基材玻璃d、基材玻璃e的维氏硬度的1.22倍、1.16倍、1.11倍、 1.12倍、1.07倍,同时微晶玻璃a、微晶玻璃b、微晶玻璃c、微晶玻璃d和微晶玻璃e的杨氏模量分别为基材玻璃a、基材玻璃b、基材玻璃c、基材玻璃 d、基材玻璃e的杨氏模量的1.20倍、1.16倍、1.15倍、1.11倍、1.10倍。也就是说,结晶程度控制在可使维氏硬度是对应基材玻璃的维氏硬度的1.05~ 1.3倍、同时可使杨氏模量是对应基材玻璃的杨氏模量的1.05~1.2倍的微晶玻璃自身具有较高的机械强度,使得其具备优越的抗划伤性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (21)
1.一种微晶玻璃,所述微晶玻璃是由基材玻璃通过核化工艺和晶化工艺制备所得,其特征在于,所述微晶玻璃是以碱铝硅酸盐体系玻璃作为基材玻璃,所述基材玻璃进行化学强化后在内部形成的张应力层中的张应力最大值为CT1,所述微晶玻璃在相同的条件下进行化学强化后在内部形成的张应力层中的张应力最大值为CT2;所述基材玻璃进行化学强化后在表面形成的压应力层的深度为DOL1,所述微晶玻璃在相同的条件下进行化学强化后在表面形成的压应力层的深度为DOL2;其中,CT2/CT1为0.4~0.7,当微晶玻璃的结晶程度均控制在可使CT2为对应的基材玻璃的CT1的0.4~0.7之间时,同时可使DOL2为对应的基材玻璃的DOL1的0.8~0.99;
以质量百分比计,所述微晶玻璃含有:
SiO2:60~76%;
Al2O3:3~15%;
B2O3:0~3%;
P2O5:0~3%;
MgO:0~5%;
CaO:0~2%;
ZnO:0~3%;
ZrO2:1~6%;
TiO2:0~6%;
Na2O:0.5~5%;
K2O:0~2%;
Li2O:8~25%。
2.根据权利要求1所述的微晶玻璃,其特征在于,所述微晶玻璃在强化中可获得的张应力线密度最大值大于等于25000MPa/mm。
3.根据权利要求1所述的微晶玻璃,其特征在于,所述微晶玻璃的分叉阈值大于等于40000MPa/mm。
4.根据权利要求1所述的微晶玻璃,其特征在于,所述微晶玻璃的维氏硬度是所述基材玻璃的维氏硬度的1.05~1.3倍,所述微晶玻璃的杨氏模量是所述基材玻璃的杨氏模量的1.05~1.2倍。
5.根据权利要求1所述的微晶玻璃,其特征在于,所述微晶玻璃包含晶体,所述晶体包括作为主晶相的二硅酸锂晶体或硅酸锂晶体,所述晶体还包括金红石、钛酸锆、尖晶石晶体、锌尖晶石晶体和β-石英固溶体中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的微晶玻璃,其特征在于,所述微晶玻璃中主晶相占晶体比例为80%以上。
7.根据权利要求5所述的微晶玻璃,其特征在于,所述晶体的平均粒径小于等于100nm。
8.根据权利要求7所述的微晶玻璃,其特征在于,所述晶体的平均粒径在20nm至70nm之间。
9.根据权利要求1所述的微晶玻璃,其特征在于,以质量百分比计,所述微晶玻璃中SiO2的含量为65~76%,Al2O3的含量为4~10%。
10.根据权利要求1所述的微晶玻璃,其特征在于,以质量百分比计,所述微晶玻璃中TiO2+ZrO2含量为1.5~5%。
11.根据权利要求1所述的微晶玻璃,其特征在于,以质量百分比计,所述微晶玻璃中MgO的含量为1~5%,CaO+ZnO含量为小于等于1%,B2O3+P2O5的含量小于等于4%,Na2O的含量为1~4%。
12.根据权利要求1所述的微晶玻璃,其特征在于,以质量百分比计,所述微晶玻璃中Li2O的含量为10~22%。
13.一种化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃通过对权利要求1-12任一项所述的微晶玻璃进行化学强化制备所得。
14.根据权利要求13所述的化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃通过对权利要求1-12任一项所述的微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行单步或多步强化所得。
15.根据权利要求14所述的化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃的表面压应力小于等于500MPa。
16.根据权利要求15所述的化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃的距离表面深度为L处的压应力为250MPa,其中,L大于等于4μm。
17.根据权利要求13所述的化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃通过对权利要求1-12任一项所述的微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行单步强化所得,所述单步强化的时间为t;所述微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行化学强化以获得深度最大的表面压应力层所需的时间为tmax;其中,t/tmax的值为1~2。
18.根据权利要求13所述的化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃通过对权利要求1-12任一项所述的微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行多步强化所得,所述多步强化包括第一步强化,所述第一步强化的时间为t1;所述微晶玻璃在温度大于等于420℃的化学强化盐浴中进行化学强化以获得深度最大的表面压应力层所需的时间为tmax;其中,t1/tmax的值为1~2。
19.根据权利要求13所述的化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃的立即断裂后的断面痕带宽度小于玻璃厚度的25%。
20.根据权利要求13所述的化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃在进行跌落测试时,破碎率小于等于20%。
21.根据权利要求13所述的化学强化微晶玻璃,其特征在于,所述化学强化微晶玻璃在单杆静压测试时,破碎压力大于等于330N。
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