CN113365956B - 高折射率玻璃 - Google Patents

Abstract

一种玻璃组合物，其包含：Al₂O₃、ZnO和SiO₂；TiO₂，它的量是至少10摩尔％且不超过20摩尔％；以及碱性金属氧化物，其选自下组：MgO、CaO、SrO、BaO或其组合，使得玻璃组合物中的MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔总和的量是至少20摩尔％且不超过35摩尔％，以及使得：BaO的量是0至10摩尔％；MgO的量是0至10摩尔％，CaO的量是0至10摩尔％，并且玻璃组合物中的CaO与MgO的摩尔总和小于12.5摩尔％；以及稀土金属氧化物(ΣRE_mO_n)，它的量是至少1.5摩尔％且不超过10摩尔％；碱金属氧化物(ΣAlk₂O)，它的量是大于或等于0摩尔％且小于或等于5摩尔％；和不超过5摩尔％的其他组分；以及其中，‑5摩尔％≤Al₂O₃(摩尔％)–1.5ΣRE_mO_n(摩尔％)–ΣAlk₂O(摩尔％)≤+5摩尔％。

Description

高折射率玻璃

相关申请的交叉参考

本申请根据35 U.S.C.§119，要求2018年11月30日提交的美国临时申请系列第62/773,751号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景技术

技术领域

本说明书总体上涉及适用于光学显示器(例如用于增强现实装置或虚拟现实装置的显示器)、光纤和光学透镜的玻璃组合物。更具体来说，本说明书涉及可用于增强现实装置或虚拟现实装置的显示器的高折射率玻璃。

技术背景

近十年来，在不断增长的增强现实和虚拟现实装置市场中，对于具有高折射率(即，n_d>1.60)的光学玻璃的需求是增长的。用于增强现实或虚拟现实装置的光学玻璃的其他要求在于：可见光范围内的良好透射率，良好的玻璃可成形性，化学耐用性，以及较低的生产成本。相比于不需要此类高折射率的显示器玻璃的生产，具有高折射率的玻璃的制造是非常不同的。因此，高折射率光学玻璃的要求不同于显示器玻璃的要求，并且对于高折射率光学玻璃要求不同于显示器玻璃的玻璃组合物。

用于增强现实或者虚拟现实装置的光学玻璃的另一个要求是低的玻璃密度。由于许多增强现实或虚拟现实装置制造成可穿戴装置，所以要用户来承担装置的重量。长期来说，即使是较轻的装置也会变得对于穿戴而言是不方便的。因此，对于用于增强现实或虚拟现实装置的情况，需要轻量化的低密度玻璃(即，密度小于或等于4.00g/cm³)。

为了降低生产成本，会优选高折射率玻璃具有良好的化学和物理性质并且具有与常规制造设备相兼容的粘度特性。但是，难以产生具有所需化学和物理性质的组合的高折射率玻璃。例如，尝试增加玻璃的折射率通常导致玻璃密度发生不合乎希望的增加，这使得玻璃制品变得更重。尝试通过降低高温粘度来降低熔化温度，所述高温粘度导致当形成玻璃制品时的玻璃熔体失透，这是由于高液相线温度导致的。尝试降低导致热膨胀系数发生不合乎希望的增加的玻璃转化温度，并且尝试增加弹性模量至大于95GPa导致玻璃转化温度发生不合乎希望的提升。

注意到的是，一些不含二氧化硅的磷酸盐玻璃可以具有高折射率和低CTE。这些不是硅酸盐类型的玻璃。US 8,691,712公开了n_d>1.75且α<60x10^-7K^-1的硼酸盐玻璃，其包含少于12％的二氧化硅和大于12％的B₂O₃。但是，已知的是，硼酸盐和磷酸盐玻璃都具有低的弹性模量，也就是说，它们对于许多应用而言刚性不足。此外，大部分的硼酸盐和磷酸盐(非硅酸盐)玻璃包含大量的有害和/或昂贵和/或重的氧化物，例如：PbO、Sb₂O₃、Ta₂O₅、Gd₂O₃、Bi₂O₃等，这对于大规模生产是不合乎希望的。因此，存在对于具有上述属性的硅酸盐高折射率玻璃的需求，其优选具有大于95GPa的弹性模量并且适用于增强现实或虚拟现实装置或者用于其他光学组件。

附图说明

图1显示对于包含至少30摩尔％SiO₂的数种高折射率玻璃的线性热膨胀系数(α)与折射率(Nd)的关系；

图2显示对于包含至少30摩尔％SiO₂的数种高折射率玻璃的线性热膨胀系数(α)与杨氏模量(E)的关系；

图3示意性显示组成变化对于本文公开的玻璃实施方式的玻璃性质的主要影响。

发明内容

根据一些实施方式，玻璃组合物包含：

(a)Al₂O₃、ZnO和SiO₂；

(b)TiO₂，它的量是至少10摩尔％且不超过20摩尔％；

选自下组的碱性金属氧化物：MgO、CaO、SrO、BaO或其任意组合，

从而使得玻璃组合物中的MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔总和的量是至少20摩尔％且不超过35摩尔％，并且使得：

(i)BaO的量是0至10摩尔％；

(ii)MgO的量是0至10摩尔％；

(iii)CaO的量是0至10摩尔％，以及玻璃组合物中的CaO和MgO的摩尔总和小于12.5摩尔％；

(d)稀土金属氧化物(ΣRE_mO_n)，它的量是至少1.5摩尔％且不超过10摩尔％；

(e)碱金属氧化物(ΣAlk₂O)，它的量是大于或等于0摩尔％且小于或等于5摩尔％；以及

(f)不超过5摩尔％的其他组分；以及其中

-5摩尔％≤Al₂O₃(摩尔％)–1.5ΣRE_mO_n(摩尔％)–ΣAlk₂O(摩尔％)≤+5摩尔％。

根据一些实施方式：

-3摩尔％≤Al₂O₃(摩尔％)–1.5ΣRE_mO_n(摩尔％)–ΣAlk₂O(摩尔％)≤+3摩尔％。

根据一些实施方式，玻璃组合物包含30摩尔％至45摩尔％SiO₂，以及根据一些实施方式，包含30至35摩尔％SiO₂。

根据一些实施方式，玻璃组合物包含15摩尔％至20摩尔％ZnO。

根据一些实施方式，玻璃组合物包含小于或等于15摩尔％Al₂O₃。根据一些实施方式，玻璃组合物包含3摩尔％至15摩尔％Al₂O₃，以及根据一些实施方式，10至15摩尔％Al₂O₃。

根据一些实施方式，玻璃组合物包含大于或等于15摩尔％ZnO。

根据一些实施方式，玻璃具有大于或等于1.66且小于或等于约1.83的折射率n_d(在589.3nm测得的折射率)以及小于或等于3.9g/cm³的密度d。

根据一些实施方式，玻璃组合物具有小于或等于1410℃的熔化温度Tm。根据一些实施方式，玻璃组合物具有大于或等于约600℃且小于或等于约700℃的玻璃转化温度Tg。根据一些实施方式，玻璃组合物具有结晶起始温度Tx，使得(Tx-Tg)之差大于或等于约130℃。

根据一些实施方式，其中，玻璃组合物在20-100℃范围内的线性热膨胀系数α_20-100大于或等于约50x10^-7K^-1且小于或等于约60x10^-7K^-1。

根据一些实施方式，玻璃组合物在20-300℃范围内的线性热膨胀系数α_20-300小于或等于65x10^-7K^-1，以及在一些实施方式中，小于或等于约60x10^-7K^-1。

根据一些实施方式，玻璃组合物包含：

(a)大于或等于30.0摩尔％且小于或等于35.0摩尔％SiO₂；

(b)大于或等于12.0摩尔％且小于或等于20.0摩尔％TiO₂；

(c)大于或等于10.0摩尔％且小于或等于15.0摩尔％Al₂O₃；

(d)大于或等于5.0摩尔％且小于或等于10.0摩尔％的土金属氧化物(earthmetal oxides)；

(e)大于或等于15.0摩尔％至小于或等于20.0摩尔％ZnO；和

(f)大于或等于5.0摩尔％且小于或等于15.0摩尔％的碱土金属氧化物(MgO+CaO+SrO+BaO)。

根据一些实施方式，玻璃组合物包含La₂O₃。

根据一些实施方式，n_d是1.78至1.83；以及密度d是3.7g/cm³-3.9g/cm³。根据一些实施方式，玻璃展现出大于或等于约0.20cm³/g的(n_d-1)/d比值。

根据一些实施方式，玻璃具有约95-120GPa的杨氏模量，以及在20℃至300℃温度范围内约60x10^-7K^-1至80x10^-7K^-1的线性热膨胀系数(CTE)。根据一些实施方式，玻璃具有约105-120GPa的杨氏模量，以及在20℃至300℃温度范围内约60x10^-7K^-1至-80x10^-7K^-1的线性热膨胀系数α。

根据一些实施方式，玻璃具有：约600℃至约700℃的玻璃转化温度Tg；25至35GPa*cm³/克(例如，28-32GPa*cm³/克，或者29至31GPa*cm³/克，或者约30GPa*cm³/)的比模量；不超过1450℃的熔化温度以及小于熔化温度的液相线温度。根据一些实施方式，液相线温度是1300℃、1325℃、1350℃、1375℃、1400℃、1410℃、或者1415℃。

根据一些实施方式，在589.3nm进行测量，玻璃具有大于或等于1.66的折射率，例如：1.66至1.83或者1.78至1.83。

根据一些实施方式，玻璃具有大于或等于3.2g/cm³且小于或等于3.9g/cm³的密度。

根据一些实施方式，玻璃具有约1410℃的液相线温度。

根据一些实施方式，玻璃具有大于或等于600℃且小于或等于700℃的退火温度。

根据一些实施方式，玻璃具有结晶起始温度Tx使得(Tx-Tg)之差大于或等于130℃或者大于或等于160℃。

根据一些实施方式，玻璃可以额外包含提升折射率的组分(即，构成组分)，其选自下组：BaO、Nb₂O₅、MoO₃和CeO₂。

根据一些实施方式，铝硅酸锌盐玻璃包含：

(a)大于或等于10重量％且小于或等于20重量％TiO₂；

(b)大于或等于20重量％且小于或等于35重量％的(MgO+CaO+SrO+BaO+ZnO)，其包括

a.0至5重量％MgO，

b.0至5重量％CaO，

c.0至10重量％BaO，

d.(CaO+MgO)之和小于10重量％；

(c)大于或等于8重量％且小于或等于25重量％的稀土金属氧化物(ΣRE_mO_n)；

(d)大于或等于0重量％且小于或等于5重量％的碱金属氧化物(ΣAlk₂O)；以及

(e)不超过5重量％的其他物质。

根据一些实施方式，玻璃具有：约1.78-1.83的折射率n_d；小于或等于约3.9g/cm³的密度；600℃至700℃的玻璃转化温度Tg；约30-34GPa*cm³/g的比模量；以及小于或等于1410℃的液相线温度和大于或等于(Tg+130)℃的结晶起始温度Tx。

根据一些实施方式，玻璃制品包括铝硅酸锌盐玻璃，以摩尔％计，该玻璃包含：

大于或等于10摩尔％且小于或等于20摩尔％TiO₂；

大于或等于20摩尔％且小于或等于35摩尔％的(MgO+CaO+SrO+BaO+ZnO)；包括0至10摩尔％MgO，0至10摩尔％CaO，0至10摩尔％BaO，(CaO+MgO)之和小于12.5摩尔％；

大于或等于1.5摩尔％且小于或等于10摩尔％％的稀土金属氧化物(ΣRE_mO_n)；

大于或等于0摩尔％且小于或等于5摩尔％的碱金属氧化物(ΣAlk₂O)；以及

不超过5摩尔％的其他相容物质，

其中，满足如下条件：-5摩尔％≤(Al₂O₃[摩尔％]–1.5ΣRE_mO_n[摩尔％]–ΣAlk₂O[摩尔％])≤+5摩尔％。

在以下的详细描述中给出了附加特征和优点，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。

要理解的是，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。附图说明了本文的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的设计和优点。

具体实施方式

定义

如本文所用，术语“退火点”指的是根据ASTM C598-93(2013)确定的温度。对于典型的玻璃组合物，退火点是给定玻璃组成的玻璃的粘度约为10^13.2泊时的温度。

术语“液相线温度”指的是高于这个温度玻璃组合物完全液态没有玻璃构成组分的结晶的温度。根据ASTM C829-81(测量玻璃的液相线温度的标准实践)的梯度方法来测量这个性质。

术语“液相线粘度”指的是处于玻璃组合物的液相线温度时的玻璃组合物的粘度。

如本文所用，术语“α”指的是玻璃组合物在20℃(室温(RT))至300℃的温度范围上的平均热膨胀线性系数(也被称作平均线性热膨胀系数)。通过采用水平膨胀计(推杆膨胀计)根据ASTM E228-11对这个性质进行测量。(也就是说，除非另有说明，否则α＝α_20-300，在20-300℃温度范围内的线性热膨胀系数。)α的数字测量表述为α＝ΔL/L₀ΔT，式中，L₀是样品在测量范围内的某个温度或者接近测量范围时的线性尺寸，以及ΔL是在测量温度范围ΔT内的线性尺寸L的变化。20℃-100℃范围的温度范围上的线性热膨胀系数表示为α_20-100。

术语“折射率”或者n_d指的是在室温(RT)时，在约589.3nm的钠的黄色d线，玻璃组合物的折射率。

除非另有说明，否则本文公开的玻璃实施方式的折射率是通过贝克线法测得的。

当进行测量时，采用阿基米德原理，根据ASTM C693在室温测量玻璃实施方式的密度。

通过采用共振超声光谱法，采用购自ITW印第安纳私人有限公司磁通事业部(TWIndiana Private Limited,Magnaflux Division)的Quasar RUSpec 4000测量弹性模量。

通过差式扫描量热法(DSC)以10°K/分钟的加热速率，在玻璃在空气中冷却到室温之后测量玻璃转化温度(Tg)。

根据本文所述玻璃组合物的实施方式，玻璃的示例性实施方式有利地具有：高折射率n_d，在低于玻璃转化温度Tg的温度时的低的线性热膨胀系数α，以及高的弹性模量E，和高的比模量(E/d)。此类玻璃可以用于多种光学系统，例如：消费者玻璃、照相机镜头等，以及用于信息记录介质的基材。此外，示例性玻璃实施方式的重量轻，并且有利地展现出高刚度(在外部作用力下的低变形)。这些玻璃的其他优势在于相当低的熔化温度和中等的玻璃转化温度Tg(例如，600℃至700℃)。在一些实施方式中，玻璃具有较高的弹性模量(E≥100GPa)，这对于介质记录应用是有利的。在一些实施方式中，玻璃具有大于95GPa且小于125GPa的弹性模量E。并且在一些实施方式中，玻璃弹性模量E是98GPa至120GPa。

根据示例性实施方式，玻璃具有：约600℃的玻璃转化温度(Tg)，这使得玻璃与用于形成制品的常规设备是相兼容的；低的热膨胀，这限制了玻璃在成形过程中的翘曲，例如线性热膨胀系数α是50x10^-7K^-1至110x10^-7K^-1，优选α<80x10^-7K^-1，或者甚至α<65x10^-7K^-1，这使得玻璃与诸如钢或合金之类的其他材料是相兼容的；足够低的熔化温度，不超过1450℃，优选不超过1400℃(例如，1100℃至1400℃，或者1200℃至1400℃的熔化温度)，这使得玻璃熔化过程没有那么耗能并且与常规耐火材料是相兼容的；以及当成形之后冷却时不在制品中形成高应力的能力。最后一项数值主要取决于低于和高于Tg的热膨胀系数，杨氏模量和泊松比。例如，在一些实施方式中，线性热膨胀系数α小于100x10^-7K^-1，或者对于信息记录介质60-70x10^-7K^-1或者更小)。

本文所述的玻璃实施方式提供了以下优点中的一种或多种：

(a)≥1.65的高折射率n_d(例如，N_d是：1.66、1.75、1.78、1.80、1.81、1.83，例如1.67≤N_d≤1.83)，同时具有低密度d(例如，d<3.9g/cm³，或者d≤3.5g/cm³，或者d≤3.3g/cm³，或者d≤3.2g/cm³，以及其间的情况)；

(b)较低的熔化温度(1300℃-1500℃)，这导致在制造玻璃时较低的能耗；同时具有较低的液相线温度T_L<1500℃或者(例如，T_L<1450℃，T_L≤1410℃)，从而避免或者最小化了当形成制品时的玻璃熔体的结晶；

(c)较低的玻璃转化温度Tg(例如，Tg≤700℃，或者Tg≤650℃，或者Tg≤625℃，或者Tg≤600℃，或者其间的情况)，同时在20℃至300℃之间的温度具有较低的热膨胀系数(即，较低的α值)(例如，α≤90x10^-7K^-1，α≤80x10^-7K^-1，α≤70x10^-7K^-1，α≤65x10^-7K^-1，α≤60x10^-7K^-1)；这有利地使得当成形之后的玻璃制品冷却时的应力和翘曲最小化；和/或

(d)高折射率(n_d>1.75，或者n_d>1.78，或者n_d>1.81)同时具有低的线性热膨胀系数(α<80x10^-7K^-1，或者α<70x10^-7K^-1，或者α<60x10^-7K^-1)。

例如，在一些实施方式中，玻璃密度d是3.2g/cm³≤d≤3.9g/cm³，或者3.5g/cm³≤d≤3.95g/cm³。在一些实施方式中，玻璃转化温度是575℃≤Tg≤700℃，或者600℃≤Tg≤700℃。在一些实施方式中，玻璃密度d是3.2g/cm³≤d≤3.9g/cm³(例如，3.5g/cm³≤d≤3.95g/cm³)以及玻璃转化温度是575℃≤Tg≤700℃(例如，600℃≤Tg≤700℃)。在一些实施方式中，55x10^-7K^-1≤α≤90x10^-7K^-1，或者55x10^-7K^-1≤α≤80^-7K^-1，或者55x10^-7K^-1≤α≤65^-7K^-1，或者55x10^-7K^-1≤α≤60x10^-7K^-1。在一些实施方式中，n_d>1.75以及α<80x10^-7K^-1。在一些实施方式中，n_d>1.78以及α<70x10^-7K^-1，以及在一些实施方式中，n_d>1.79以及α<60x10^-7K^-1。

在至少一些实施方式中，弹性模量大于100GPa，或者大于110GPa，或者甚至大于115GPa。这个高数值阻止了玻璃制品和包含这些制品的装置(例如，透镜、显示器或信息存储介质)在负荷下发生变形。

高弹性模量E结合较低的密度d有助于实现轻量化玻璃制品对于外部机械作用力的高抗性，这对于信息记录介质是特别重要的。可以采用作为比模量(E/d)的此类特性来对所提及的性质进行量化描述，其具有高的数值例如30GPa^.cm³/g。

高的弹性模量对于用于虚拟现实或增强现实系统的玻璃也是有利的，因为玻璃的高弹性模量有助于防止(或者最小化)在这些系统中产生图像的电路元件的变形。

但是，与此同时已知的是，玻璃中的高弹性模量E可能导致当其在制造过程期间冷却时的玻璃中的高的热应力。当玻璃用于光学应用或者消费者应用(例如，用于虚拟现实或增强现实的装置或者高折射率透镜)时，玻璃中的高应力是不合乎希望的。

可以采用比值E·α/(1-ν)来对光学制品中发生高的热应力的可能性进行评估，式中，E表示杨氏模量，式中，α是平均线性热膨胀系数以及ν是泊松比。因此，比值E·α/(1-ν)越低，则应力量越小。因此，优选本文所述的玻璃实施方式的比值E·α/(1-ν)约为1.0MPa^.K^-1或更小。

为了将比值E·α/(1-ν)维持在所需要的足够低的水平(≤1.0MPa^.K^-1或者更小)同时具有高的弹性模量E，玻璃应该具有低的CTE值(即，低的α)。但是，已知的是，难以或者无法制得具有高折射率n_d和低CTE(低α)的玻璃，特别是如果玻璃包含一定显著量的二氧化硅(例如大于或等于30摩尔％SiO₂)且不含有大量环境有害(不合乎希望的)物质(例如，铅、锑或钽)的话。

在没有这些不合乎希望的物质的情况下，仅可能使得玻璃组合物要么不具有非常高的折射率(n_d<1.75)或者要么具有高CTE(高α，其中，在20-300℃的温度范围的α>65x10^{- 7}K^-1)。这如图1所示，其显示了对于比较例玻璃(图1中标记为1-7)的这两种性质的可行数据，所述比较例玻璃包含大于或等于30.0摩尔％SiO₂且基本不含此类不合乎希望的元素，如Fe(着色剂)、Pb、Sb和Ta。图1所示的比较例玻璃具有折射率n_d>1.75，但是在20℃-300℃的温度范围内的α值约为67x10^-7K^-1至80x10^-7K^-1。图1还显示本文所述玻璃实施方式(标记为星号符号和玻璃8，参见例如图1中的灰色区域)中的一些的测量数据。图1所示的所有玻璃具有n_d≥1.75和α≤80x10^-7K^-1。

如图1所示，本文公开的玻璃组合物的示例性实施方式展现出低的CTE值(α<70x10^-7K^-1，更优选α<68x10^-7K^-1，优选α<65x10^-7K^-1，或者甚至α<60x10^-7K^-1)，同时具有高的折射率n_d，超过1.75或者甚至1.79。本文公开的玻璃组合物的至少一些示例性实施方式展现出低的CTE值(α<70x10^-7K^-1，更优选α<68x10^-7K^-1，优选α<65x10^-7K^-1，或者甚至α<60x10^-7K^-1)，同时具有高的折射率n_d，例如1.75至1.8。

特别困难之处在于，如果要求玻璃具有高的杨氏弹性模量的话，将玻璃组合物设计成具有高的折射率和低的CTE。这个困难性如图2所示，其中，显示了对于一组比较例硅酸盐玻璃(图2中表示为符号*、+、■)的杨氏模量和CTE数值的可行数据，所述比较例硅酸盐玻璃包含大于或等于30.0摩尔％SiO₂(没有其他组成上的限制)并且具有折射率n_d≥1.75和杨氏模量E≥90GPa。图2还显示制造得到的本文所述的高折射率玻璃实施方式中的一些(图2中标记为星号)所测得的数据。图2所示的玻璃实施方式具有n_d≥1.75和α≤80x10^-7K^-1。

从附图清楚看出，本文所述的高折射率硅酸盐玻璃组合物的示例性实施方式在杨氏模量E>100GPa、或者E>110GPa、或者甚至E>115GPa的情况下展现出低的CTE值(α<80x10^{- 7}K^-1，α<65x10^-7K^-1，或者甚至α<60x10^-7K^-1)。对于具有高折射率(n_d>1.78，或者甚至n_d>1.79)的玻璃，非常高的弹性模量(E>115GPa)和低CTE(α<60x10^-7K^-1)的独特组合使得高折射率材料能够保持非常刚性并且防止了在其制造过程中的高的热应力。

图2所示的玻璃实施方式不含对于玻璃的大规模生产是不合乎希望的环境有害、昂贵和/或重的物质(例如以下氧化物：PbO、Sb₂O₃、Ta₂O₅、Gd₂O₃、Bi₂O₃等)。本文所述的所有玻璃实施方式全都包含二氧化硅作为主要网络形成剂，这使得它们的制造不那么昂贵。

本文所述的玻璃实施方式包含三种主要构成组分(本文也称作组分)：二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)和氧化锌(ZnO)。玻璃还可以包含碱土金属氧化物和稀土金属氧化物。玻璃还可以任选地以低浓度包含碱金属氧化物和其他相兼容的构成组分(例如，5摩尔％或更少)。

本文所述的玻璃实施方式至少可以被用于两类应用，例如：作为具有高折射率的光学玻璃(下文，使用术语“高折射率玻璃”)和/或用于信息记录介质的基材。高折射率玻璃可用于各种应用，例如：用于虚拟现实和增强现实的显示器、高折射率透镜、激光器等。

图3示意性显示上文所提及的主要玻璃组分(SiO₂、ZnO和TiO₂)的量的含量变化对于本文所述实施方式的玻璃性质的主要影响。应理解的是，本公开内容涉及具有多种潜在应用的玻璃组合物，其中，取决于特定玻璃所需的用途或应用，不同属性可能更为重要或者没有那么重要。因此，取决于特定用途或应用，对于本文所述的不同玻璃实施方式，可能优选不同的组分(即，构成组分)量，从而为本文所讨论的不同玻璃应用提供所需的不同玻璃性质。

在本文所述的玻璃组合物的实施方式中，除非另有说明，否则组分(例如SiO₂、ZnO、TiO₂和Al₂O₃等)的浓度是基于氧化物的摩尔百分数(摩尔％)。下面各自独立地讨论根据实施方式的玻璃组合物的组分。应理解的是，一种组分的各种所陈述的任意范围可以与任意其他组分的各种所陈述的任意范围单独地结合。

如上文所述，本文公开的玻璃组合物包含二氧化硅(SiO₂)作为玻璃网络形成剂。二氧化硅增加了玻璃在整个温度范围上的粘度，增加了液相线粘度，这使得玻璃熔体在接近液相线温度的温度范围时避免了结晶。此外，向玻璃组合物添加较多的二氧化硅导致玻璃密度和CTE的下降，这是合乎希望的。但是，二氧化硅使得玻璃的折射率明显下降。向玻璃组合物添加太多的二氧化硅还增加了玻璃的熔化温度，这可能是不合乎希望的。申请人发现，如果玻璃组合物中SiO₂的含量小于约30摩尔％的话，则难以形成基于二氧化硅的玻璃。如果玻璃组合物中SiO₂的含量大于约45摩尔％的话，则玻璃的折射率变得太低。

因此，对于本文公开的高折射率玻璃的实施方式，玻璃组合物中二氧化硅的含量优选是约30至约45摩尔％。在一些实施方式中，玻璃包含的SiO₂的量是约30至约33摩尔％。这些实施方式具有最高的折射率和最低的CTE，但是它们的玻璃成形能力不如具有更多二氧化硅量的玻璃那么好。在一些其他实施方式中，玻璃包含的SiO₂的量是约40至约45摩尔％；这些玻璃表征为更好的玻璃成形能力，但是具有较低的折射率和较高的CTE，这对于诸如信息存储装置之类的此类应用可能是优选的。中等SiO₂浓度范围(例如，33至40摩尔％，33至35摩尔％，或者35至40摩尔％)对于这些性质是同样重要的应用(例如，玻璃组合物用于制造高折射率透镜的情况)可能是优选的。因此，应理解的是，二氧化硅含量可以在30-45摩尔％范围内变化，这取决于性质的优选组合，即玻璃成形能力、折射率和CTE的相对重要性，这取决于上文所述的玻璃的具体应用。

玻璃组合物还包含氧化锌ZnO。氧化锌改善了玻璃的机械特性并且增加了玻璃的杨氏模量，同时没有明显增加玻璃的密度或CTE。由于氧化锌增加了玻璃的折射率(相对于二氧化硅而言)，因此虽然没有明显增加密度d，但是向二氧化硅添加氧化锌导致(n_d-1)/d之比增加，这对于高折射率玻璃是有利的。此外，氧化锌可用于稳定化高折射率物质(例如TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅等)，因为其与这些物质发生化学反应，因此将它们容纳在玻璃结构中(参见图3)。但是，如果玻璃包含氧化铝的话，则当氧化锌含量变得太高时，氧化锌可能与玻璃中的过量的氧化铝反应，形成矿物锌尖晶石(ZnAl₂O₄)，其可能在高温下从玻璃熔体沉淀出来。为了中和这个作用，希望在玻璃中提供额外组分，例如碱土金属氧化物和/或稀土金属氧化物，如下文所述。

因此，玻璃组合物实施方式中的ZnO的优选范围最主要受到添加到玻璃的其他高折射率物质的量的影响。对于具有最高折射率的玻璃以及具有较低(但是仍然足够高的)杨氏模量(例如100GPa或较小)的玻璃，优选较高浓度的ZnO(例如，约20摩尔％或更多)。在对于折射率的要求没有那么高但是高刚性更为重要的情况，ZnO的含量可以较低(例如，约15摩尔％或更少)。在这些性质同等重要的情况下，中等含量的ZnO(例如，15-17摩尔％，或者17-18摩尔％，或者18-20摩尔％)可能变得更为优选。

如上文所述，玻璃实施方式的第三个主要组分是二氧化钛TiO₂。二氧化钛极大地增加了玻璃中的折射率并且对于密度具有相当低的影响。此外，向玻璃添加二氧化钛增加了玻璃的弹性模量和断裂韧度且降低了CTE。因此，添加二氧化钛可以有利地得到非常合乎希望的玻璃特性(参见图3)。但是，当添加到过铝质(peraluminous)玻璃(表征为(Al₂O₃-ΣR₂O)的数字为正值(单位，摩尔％))时，二氧化钛可能以金红石或者其他矿物的形式从熔体沉淀出来。二氧化钛的沉淀进而提升了玻璃的液相线温度，这可能是不合乎希望的。此外，在高浓度的情况下，二氧化钛可能使得玻璃具有一定的颜色，这对于一些光学玻璃应用可能是不合乎希望的。因此，玻璃中二氧化钛的含量应该尽可能得高(例如，10至20摩尔％)从而实现对于折射率、密度、CTE和弹性模量而言更好的性质，但是其在玻璃组合物中的最大量还受到上文所述的负面影响的限制，例如熔体失透和/或玻璃着色。

根据一些实施方式，玻璃组合物包含较少量的TiO₂，即，约10至约13摩尔％TiO₂。这些玻璃没有展现出失透趋势，但是提供了适当高的折射率、较高的CTE和较低的杨氏模量。对于例如当用于不要求最高折射率的透镜时，这些玻璃可能是优选的。

根据一些实施方式，玻璃组合物包含约13至约15摩尔％，或者约15至约18摩尔％TiO₂。这些玻璃提供相当高的折射率(TiO₂含量越高，则折射率越高)，并且当快速猝冷(例如，在两块金属板之间冷却)时没有发生失透。

根据一些其他实施方式，玻璃组合物包含约18至约20摩尔％TiO₂。这些玻璃展现出非常高的折射率(最高至n_d>1.81)，但是也可能展现出失透和着色趋势。

因此，玻璃组合物中TiO₂的优选含量可以是约10至约20摩尔％，变化取决于具体应用，即，机械性质、光学性质和结晶性质的相对重要性，例如：10至12摩尔％，12至14摩尔％，或者14至16摩尔％，或者16至18摩尔％，或者18至20摩尔％。

然后，玻璃组合物可以任选地包含稀土金属氧化物(本文也称作“稀土物质”)。对于无色玻璃，稀土金属氧化物可以包括：Ce₂O₃、Pr₂O₃、Nd₂O₃、Sm₂O₃、Eu₂O₃、Tb₂O₃、Dy₂O₃、Ho₂O₃、Er₂O₃、Tm₂O₃或其组合。如果要求或者希望玻璃中没有颜色的话，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)或其组合。此外，当可以接受存在一些着色时(例如，用于消费者玻璃的薄透镜或者需要所需光学性能的太阳镜)，玻璃组合物也可以含有少量的这些稀土金属氧化物。当添加到玻璃组合物时，稀土金属氧化物增加了玻璃的折射率，这改善了玻璃的光学性能。此外，稀土金属氧化物可以降低玻璃的液相线温度，防止玻璃熔体发生失透。稀土金属氧化物改善了玻璃的机械性质，并且提供了例如高的弹性模量，这对于信息记录介质是要求之一，并且对于光学玻璃也是所希望的因素。

但是，稀土金属氧化物还可能增加玻璃密度，这可能使得(n_d1)/d比值略微降低。出于该原因，优选使用最轻的(且最廉价的)稀土金属氧化物La₂O₃和Y₂O₃。在低密度玻璃相对更为重要的情况下，可以使用更轻的稀土金属氧化物Y₂O₃。否则的话，可能优选使用La₂O₃，这是稀土金属氧化物中最廉价的。其他稀土氧化物对于本文公开的其他性质的影响是相似的。因此，在玻璃组合物中也可以使用其他稀土氧化物；但是对于本文所述的性质组合而言，它们相比于La₂O₃和Y₂O₃没有提供明显优势。

在所揭示的示例性实施方式中，使用最廉价的稀土金属氧化物(La₂O₃)来验证可以以较低成本实现高折射率玻璃的多种性质的所需要的组合。如上文所述，可以向光学玻璃组合物添加La₂O₃来增加光学玻璃的折射率。但是，当玻璃组合物中添加太多La₂O₃时，则玻璃密度增加，并且玻璃熔体可能在冷却之后失透。

优选地，玻璃组合物中的稀土金属氧化物的总量是1.5摩尔％至10摩尔％。例如，当希望非常高的折射率值结合最高的机械性能(例如，最高的杨氏模量)时，可能优选以较高浓度添加稀土金属氧化物(例如，6摩尔％或更多，例如：6至8摩尔％，或者8至10摩尔％)。当不要求最高折射率时，和/或机械性能要求没有那么高时，可以以较低浓度(例如，4至6摩尔％，或者2至4摩尔％)或者甚至更少浓度(例如1-2摩尔％)使用稀土金属氧化物，或者甚至可以完全不使用。

玻璃组合物可以包含碱土金属氧化物，例如：BeO、MgO、CaO、SrO、BaO或其组合。碱土金属氧化物(下文也使用术语“碱土物质”)可以中和掉一些过量的氧化铝，将液相线温度保持在可接受的范围内，也就是说，不超过1350-1450℃。

但是，氧化铍(BeO，最轻的碱土物质)的作用不是那么有效，并且还降低了玻璃的折射率；因此，这些玻璃中，BeO不是优选组分。

氧化镁(MgO)是(除了生态上不合乎希望的BeO之外的)最轻的碱土金属氧化物，并且对于机械性能具有最大影响，这表现为杨氏模量和其他弹性模量的增加(也被视为增加了断裂韧度)。此外，MgO(相对于其他碱土金属氧化物而言)对于CTE的影响最小。但是，(相对于其他碱土金属氧化物而言)，其同样对于玻璃的折射率具有最小影响。因此，对于不要求最高折射率值但是要求低CTE和/或高的机械性能的应用，较高含量的MgO(例如，6-8摩尔％或者甚至更多，最高至10摩尔％)可能是有利的。在其他情况下，可以使用低浓度MgO(例如，2-4摩尔％，或者4-6摩尔％)，或者可以完全没有使用。总的来说，MgO的优选含量可以是从0至约10摩尔％发生变化。

氧化钙(CaO)起到的作用基本上与MgO相似，但是对于折射率和CTE具有略微更大的影响，而对于机械性质(例如杨氏模量)的影响稍低。但是，对于使得高折射率组分(例如ZrO₂或Nb₂O₅)稳定化的物质而言，它的作用明显优于MgO。此外，不同于氧化镁，在过量氧化铝的情况下，CaO不形成非常难熔的矿物质，这防止了过铝质玻璃发生失透。此外，对于需要轻量化非常高折射率但是不需要刚度(杨氏模量)达到最高可能值和/或不要求最低CTE的情况，使用CaO是优选的。在这些情况中，玻璃组合物可以含有6-8摩尔％CaO或者甚至最高至10摩尔％CaO。在对于诸如刚性和CTE之类性质的要求更强烈但是仍然需要非常高折射率的情况下，玻璃组合物中的CaO含量可能略微较低，例如4-6摩尔％或者2-4摩尔％。否则的话，例如当机械性能最为重要而最高折射率没有那么重要时，玻璃组合物中CaO的量可以相当低(例如，2-4摩尔％)，或者玻璃甚至可以完全不包含CaO。总的来说，CaO的优选含量可以是从0至约10摩尔％发生变化。

氧化钡(BaO)起到的作用略微不同于CaO和MgO。对于BaO，最重要之处在于，它不仅对于折射率具有最高影响，而且还有效地作为使得其他高折射率物质(TiO₂、ZrO₂等)稳定化的物质。作为结果，在玻璃中添加BaO(还考虑到可以增加其他高折射率物质的量)，这对于折射率产生最大的影响。但是，在上述碱土材料中，BaO对于CTE具有最高影响，对杨氏模量具有最低影响，以及对于密度具有最高影响。因此，对于需要最高折射率值的情况，添加BaO是有利的。在这种情况下，玻璃组合物可以包含超过5摩尔％BaO，或者甚至最高至10摩尔％。但是，在要求本文所述性质组合的情况下，最高含量的BaO是不利的，并且优选中间值，例如4-6摩尔％。在不需要最高折射率的情况下，玻璃组合物可以包含相当少量的BaO，例如1-2摩尔％或者2-4摩尔％，或者可以完全不包含这个组分。总的来说，BaO的优选含量可以是从0至约10摩尔％发生变化。

氧化锶(SrO)的作用介于CaO与BaO之间，并且在本文所考虑的玻璃中，相比于CaO、BaO或者它们的组合，它没有带来特定的优势。但是，技术上来说，使用单种组分相比于混合两种组分是有利的。出于这个考虑，对于会希望以接近1:1的比例使用CaO和BaO的情况，使用SrO作为(CaO+BaO)混合物的替代可能变得是有利的。此外，在一些组成空间中，相比于使用单种物质，使用数种不同碱土物质可能降低液相线温度，在这种情况下，SrO也肯能是有用的组分。在上述情况下，玻璃中SrO的优选量类似于CaO和MgO的那些情况，即取决于性质要求，其可以从0至约10摩尔％发生变化。

除了上述组分之外，光学玻璃可以包含碱金属氧化物，即：Li₂O、Na₂O、K₂O、Rb₂O、Cs₂O。可以添加碱金属氧化物来改变玻璃组合物的各种性质，例如：熔化温度、粘度、机械强度、化学耐用性、CTE和折射率。碱金属氧化物(本文也称作“碱性物质”)对于氧化铝以多铝红柱石和/或刚玉的形式沉淀是非常有效的抑制剂。发生这种情况的原因在于，玻璃熔体中的碱性物质与氧化铝反应，形成铝硅酸盐，其在足够小的浓度情况下不是难熔的，并且对应地没有从熔体沉淀出来，防止形成其他含氧化铝的物质，例如所提到的多铝红柱石和刚玉。类似地，它们有效地作为其他难熔物质(包括高折射率物质，例如TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅等)发生结晶的抑制剂。因此，向玻璃组合物添加碱性物质通常降低了液相线温度，这是有利的。但是，碱性氧化物同时降低了折射率和杨氏模量，且提升了CTE，这是不合乎希望的。

在碱金属氧化物中，使用氧化锂(Li₂O)通常相比于使用其他碱金属氧化物是更优选的，因为它对于折射率和杨氏模量的负面影响较小，并且没有像其他碱金属氧化物那样提升CTE。但是，在要求对于液相线温度具有最高影响的情况下，玻璃可能包含Na₂O、K₂O或者其他碱性物质。

因此，为了使得玻璃的液相线温度降低至所需水平同时使得对于折射率、杨氏模量和CTE的负面影响最小化，可以任选地以有限量(例如，最高至5摩尔％)向玻璃添加碱金属氧化物，或者如果不要求降低液相线温度的话可以不添加。当使用最大量的碱性物质(例如大于3摩尔％)时，使用Li₂O是有利的，从而使得对于折射率、机械性质和CTE的负面影响最小化。否则的话，也可使用其它碱性物质。因此，玻璃组合物中碱性氧化物的优选含量取决于对于降低液相线温度的需求，并且可以在0至约5摩尔％之间变化，例如：0-1摩尔％，或者1-2摩尔％，或者2-3摩尔％，或者3-4摩尔％，或者4-5摩尔％。

除了上文所讨论的TiO₂、ZnO和稀土金属氧化物之外，提升折射率的组分还可以包括ZrO₂、MoO₃、WO₃等。它们可以以少量使用，例如0至5摩尔％。但是，应注意的是，向过铝质玻璃添加氧化锆(ZrO₂)可能将液相线温度提升到最高至1400-1600℃甚至更高，这可能导致熔体失透。其他提升折射率的物质要么是不环保的(例如，Ta₂O₅、Sb₂O₃等)或者相比于上文所述物质要昂贵得多，或者同时这两种情况。因此，在一些情况下，可能在玻璃中使用这些物质，但是使用这些组分可能对于成本-性能比而言是低效的。

可用于玻璃组合物的其他组分类型是澄清剂。澄清剂用于从玻璃熔体去除气泡并且使其更为均质。出于这个原因，可以使用不同澄清剂物质，但是它们中最优选的是对于上文所述性质(最主要来说，折射率)具有合乎希望的影响的那些。出于这个目的，玻璃可以以所需的量包含诸如CeO₂、SnO₂等物质；通常来说，是0至约1摩尔％，除非出于其他目的需要更多的量。例如，氧化铈(CeO₂)作为稀土金属氧化物中的一种(参见上文)还可以降低一些玻璃组合物中的液相线温度。

此外，本文所述实施方式的玻璃组合物可以任选地包含少量的其他相兼容的物质或组分，例如额外的网络成形剂，例如：氧化硼(B₂O₃)、氧化磷(P₂O₅)等。具体来说，已知B₂O₃和P₂O₅有效地降低了玻璃的CTE并且改善了玻璃的成形能力。但是，这些物质也降低了折射率和杨氏模量，这是非常不希望的。因此，仅在无法以其他方式实现它们所具有的效果的情况下，可以以少量的方式使用这些物质。换言之，使用它们是不合乎希望的。

最后，如上文所述，玻璃组合物可以包含不同组分的各种组合。出于这个原因，还重要的是要理解不同组分可能相互之间发生化学相互作用，并且这些相互作用有时是相当复杂的(例如，三种、四种或者甚至更多种组分一起发生相互作用)，并且还可能对玻璃的一些性质产生影响。已知的是，上文提到的稀土金属氧化物(RE_mO_n)与多种组分反应，特别是氧化铝(Al₂O₃)和碱金属氧化物(Alk₂O)(其进而也与氧化铝反应)。因此，存在一些合乎希望的比例满足、优化了玻璃的性质。因此，如上文所提到的那样，在玻璃组合物中以高浓度含有的氧化铝可能提升玻璃的液相线温度，因此降低其液相线粘度，这是不合乎希望的。还提到可以通过向玻璃组合物添加稀土金属氧化物和/或碱金属氧化物来最小化或者抵消这个影响。但是，发现当这三类组分(Al₂O₃、RE_mO_n和Alk₂O)的比例满足如下比例：P＝[Al₂O₃(摩尔％)–ΣR₂O(摩尔％)–1.5ΣRE_mO_n(摩尔％)]≈0时，观察到这个效果，式中，ΣR₂O是碱金属氧化物的总浓度，以及ΣRE_mO_n是稀土金属氧化物的总浓度。但是，实践中，不要求数值完全等于0，相反地，希望所提到的数字会是不大的即可，例如：-3摩尔％≤P≤+3摩尔％，或者-5摩尔％≤P≤+5摩尔％。在一些情况下，可能可以在没有满足这些比例的情况下实现可接受的玻璃特性；但是，当|P|≤5摩尔％时，玻璃组合物优选地具有更好的整体性质组合。

如上文所公开的那样，在一个或多个实施方式中，光学玻璃的密度可以是较低的。在至少一些实施方式中，(根据ASTM C693)对密度进行测量。本文所述的光学玻璃的密度小于或等于4.00g/cm³，例如：小于或等于3.9g/cm³，小于或等于3.5g/cm³，或者小于或等于3.2g/cm³。在一个或多个实施方式中，光学玻璃的密度可以是大于或等于3.2g/cm³至小于或等于4.00g/cm³，例如：大于或等于3.25g/cm³至4.00g/cm³，大于或等于3.4g/cm³至小于4.00g/cm³，或者大于或等于3.5g/cm³至小于4.00g/cm³。

如本文所用，通过梯度炉法测量液相线温度。这个方法符合用于测量玻璃的液相线温度的ASTM C829-81标准实践。

如本文所用，通过共振超声光谱法，采用Magnaflux公司制造的Quasar RUSpec4000来测量“杨氏模量”。根据示例性实施方式，光学玻璃的杨氏模量大于或等于100GPa。例如，在一些实施方式中，光学玻璃的杨氏模量大于或等于100GPa且小于或等于120.0GPa，例如：大于或等于105GPa且小于或等于120GPa，大于或等于85.0GPa且小于或等于100.0GPa，或者大于或等于90.0GPa且小于或等于95.0GPa，以及上述值之间的所有范围和子范围。

可以通过测量Tx与Tg的差异(即，Tx-Tg)来确定光学玻璃组合物的热稳定性。Tx-Tg值的测量如上文所述。在一个或多个实施方式中，光学玻璃的Tx-Tg可以是大于或等于100℃至小于或等于250℃，例如大于或等于130℃至小于或等于170℃。

在一些实施方式中，玻璃组合物的热膨胀系数(α)可以是约50x10^-7K^-1至65x10^-7K^-1，以及上述值之间的所有范围和子范围。通过根据ASTM E228-11采用推杆膨胀计来确定热膨胀系数(α)。

如上文所公开的那样，根据本文公开和描述的实施方式的光学玻璃可以用于增强现实装置、虚拟现实装置或者信息记录介质。

实施例

通过以下的实施例对实施方式做进一步澄清。

代表性的玻璃组合物和性质分别总结见表1A和1B。表1B列出了所公开的玻璃组合物的例子。

通过常规玻璃成形方法制备具有下表1A和/或1B所列出的组分的一种或多种玻璃组合物。由源或起始材料(包括例如B₂O₃、Al₂O₃、SiO₂、CO₃、Na₂CO₃、CaCO₃、BaCO₃、ZnO、ZrO₂、TiO₂、La₂O₃、Nb₂O₅、SnO₂和其他常见物质)的批料(例如，1000g 1000％理论产率，典型产率约为900g或90重量％，例如由于机械损耗所导致)熔化在1350℃至1500℃的Pt坩埚中，空气中，具有铝覆盖。更具体来说，玻璃组合物的构成组分熔化在1500℃至1600℃的铂坩埚中持续5至6小时。然后，玻璃在两块钢板之间冷却并获得在表2给出的退火温度附近退火了1-5小时的数mm厚的样品。每种玻璃组合物制备了多个样品。每个玻璃样品对折射率n_d和密度进行测试。一些实施例组合物还测试了玻璃转化温度(Tg)、低于和高于Tg的热膨胀系数(α)、粘度、杨氏模量、泊松比和液相线温度。

在表1A中，所有玻璃组分都是摩尔％。对具有下表1A列出的构成组分(本文也称作组分)的一些玻璃组合物进行建模。这些标记为星号(*)。这些组合物的玻璃性质进行了建模并且类似于从制备的玻璃样品所测得的那些。

下表2提供了根据表1A和1B形成的玻璃的各种性质。

表1A：示例性玻璃的组成，摩尔％

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表1B：示例性玻璃的组成，重量％

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表2：示例性玻璃的性质*

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*[]中的值是玻璃组合物计算得到的估算值。其他值是测量值。

表1和2的玻璃实施方式展现出高的折射率、相当低的密度、相当低的热膨胀系数以及高的弹性模量。

这些玻璃有利地具有轻重量以及负载或机械破碎开裂之后的耐用性。它们在所需波长范围内(例如，可见光范围或者部分可见光范围)具有高的光学透射率。此外，这些玻璃中的许多适用于用于信息记录介质的基材，因为它们展现出高的弹性模量。

折射率确定了玻璃制品(例如，透镜)足以用于其功能性的厚度。最频繁使用的折射率特性是n_d，即，在约589.3nm波长(对应于钠光谱的黄色d线)所测得的折射率。因此，折射率越高，同样性能的光学系统就可以更紧凑。对于高折射率玻璃，优选n_d值等于1.70-1.80或更高。本文所述的玻璃可以有利地提供如此高的折射率。

对于许多光学系统(例如，消费者玻璃、智能手机相机等)，重要的是不仅要尺寸小还要重量轻。给定几何尺寸和形状的制品的重量由密度d确定。对于高折射率玻璃，优选密度值约为3.5-4.0g/cm³或者更低。本文所述的玻璃可以有利地具有约3.5-4.0g/cm³或者更低的密度值。

可以通过比值(n_d-1)/d对同时考虑了高折射率和轻重量的光学性能的总体数值测量进行近似评估。这个比值通常被称作“折光(refraction)”。比值(n_d-1)/d越高，则同样光学性能的透镜越轻。对于高折射率玻璃，有利的是(n_d-1)/d的数值至少约0.2。至少一些本文所述的玻璃实施方式是至少约0.2。例如，在本文所述的玻璃实施方式中，0.2cm³/g≤(N_d-1)/d≤0.25cm³/g。

信息记录介质的另一个要求是高的弹性模量，即施加到基材或主体上的作用力与所得到的变形之比。高的弹性模量使得玻璃制品更为刚性并且使其在记录或者读取信息时可能发生的外部作用力下避免发生大的变形。弹性有数种数字表征。材料刚度的最常见的表征是杨氏模量E，即应力(每单位面积的作用力)与由这种材料制造的制品中的(正比于形变)的应变之间的关系。材料的杨氏模量越大，制品的形变越小。对于信息记录介质的基材，希望杨氏模量约为100GPa或者更高。本文所述的玻璃实施方式有利地具有≥100GPa的杨氏模量。

对于光学元件，材料的高刚性导致一些外部(特别是变化的)作用力下的稳定的光学图像，这对于一些光学系统而言是重要的。但是，高的杨氏模量值通常与生产过程中制品中形成的低的热应力的技术要求(希望具有足够低的刚性)是冲突的(参见下文)。因此，对于高折射率玻璃，优选杨氏模量不是非常高，例如100GPa或更小。对于可用于两种应用的玻璃组合物，杨氏模量的优选值约为100GPa。

为了对具有高杨氏模量和轻重量的玻璃进行表征，使用比模量E/d是方便的，这是杨氏模量E与玻璃密度d之比。在一些示例性实施方式中，玻璃的比模量是30GPa^.cm³/g≤(E/d)40GPa^.cm³/g。在一些示例性实施方式中，玻璃的比模量是32GPa^.cm³/g≤(E/d)38GPa^.cm³/g。在一些示例性实施方式中，玻璃的比模量是30-34GPa*cm³/g。在一些示例性实施方式中，玻璃的比模量是32-34GPa*cm³/g。在一些示例性实施方式中，玻璃的比模量是32-40GPa*cm³/g。对于用于信息记录介质的玻璃基材，E/d的值优选等于至少约30GPa^.cm³/g，例如：至少32GPa^.cm³/g，或者至少30GPa^.cm³/g，或者34GPa^.cm³/g。

从技术角度而言，对于光学玻璃需要避免生产过程中会在玻璃制品中形成的过度应力。当玻璃制品在成形之后冷却时出现这些应力。形成的应力值取决于多种因素，例如：制品的尺寸和形状，以及敏感温度范围(大致来说是玻璃的退火点与应力点之间的间距)中的冷却速率。在所有其他因素等同的情况下，应力值取决于玻璃组合物。这个数字通过比值R＝E·α/(1-ν)进行评估，式中，E表示杨氏模量，α是平均线性热膨胀系数，以及ν是泊松比；所有特性都是在低于玻璃转化温度Tg的温度下测量的(它们中最前面的两项是在室温测量)。因此，所有其他因素等同的情况下，比值E·α/(1-ν)越低，玻璃中的应力值越小。还存在一些其他更为复杂的考虑了结构松弛的指标，但是它们全都以一些方式或者其他方式考虑了热膨胀系数(α)的值以及弹性模量中的一种(通常来说E值)。对于比值R＝E·α/(1-ν)而言，本文所述的光学玻璃的E·α/(1-ν)比值优选是1.0MPa_.K^-1或者更小。

因此，玻璃应该具有相当低的热膨胀系数(下文，会采用缩写α)。

对于光学元件，如上文所述，α值对热压制或者其他成形方案之后的制品冷却时可能形成的热应力具有贡献作用，这可以通过比值E·α/(1-ν)进行考虑，其优选值是1.2MPa_.K^-1或更小，例如：1.1MPa_.K^-1或更小，或者1.0MPa_.K^-1或更小。例如，在一些实施方式中，比值E·α/(1-ν)是0.3MPa^.K^-1≤E·α/(1-ν)≤1.0MPa^.K^-1，或者0.35MPa^.K^-1≤E·α/(1-ν)≤1.0MPa^.K^-1，或者0.4MPa^.K^-1≤E·α/(1-ν)≤1.0MPa^.K^-1。

考虑到所述的多用途玻璃的杨氏模量的最佳值约为100GPa(参见上文)并且玻璃的泊松比的典型值等于ν≈0.25，则这些光学玻璃的α的优选值是60·10^-7K^-1至80·10^-7K^-1，或者60·10^-7K^-1至75·10^-7K^-1，最优选不超过72·10^-7K^-1，更优选不超过70·10^-7K^-1，例如：60·10^-7K^-1至70·10^-7K^-1，例如：α≈62·10^-7K^-1，α≈65·10^-7K^-1，α≈67·10^-7K^-1，α≈69·10^-7K^-1。

对于用于信息记录介质的玻璃基材，α值确定了源自记录信息和/或外部温度变化所导致的基材的线性尺寸的可能的变化。α值越小，温度诱发的变形越小。对于信息记录介质，基材的α的要求与之前的情况类似：希望α值约为(60至70)x10^-7K^-1或者更小。

如上文所述，出于技术考虑，重要的是这些玻璃在液相线温度具有最低的粘度水平(下文，液相线粘度)，这使得制品形成过程中玻璃熔体发生结晶的可能性最小化。例如，对于通过热压或者类似方法形成的光学元件，可接受的最小液相线粘度(取决于制品尺寸和设备)会是数个泊或者更高。根据本文公开的实施方式，用于信息记录介质基材的玻璃有利地具有约100泊和更高的液相线粘度。

另一个要求是玻璃转化温度(Tg)，其近似表征了玻璃制品当冷却时变得机械上固体或者当加热时开始软化的范围中的一些中间温度。大致上来说，Tg对应于粘度等于10¹³泊的温度；确切值取决于玻璃组成、加热/冷却速率和其他因素。如果Tg太低，则玻璃制品可能无法耐受住玻璃制品的制造和/或使用时经受的热处理。如果Tg太高，则玻璃组合物可能与用于生产的常规设备是不兼容的。因此，优选具有中等玻璃转化温度(例如，Tg<700℃)。根据本文所述的至少一些实施方式，590℃≤Tg≤700℃，或者590℃≤Tg≤650 0℃，或者590℃≤Tg≤625℃。

另一个技术要求涉及熔化温度，即在合理时间内，玻璃可以发生熔化和从(来自原材料的)残留气体澄清的最小温度。对于大多数的工业玻璃，熔化温度是玻璃熔体的粘度约等于100-300泊的温度。该温度对应于粘度为200泊(下文会使用术语“200P温度”)，可以将其视为熔化温度的近似。熔化温度越低，玻璃熔化的能耗越低。此外，在较低的温度下，玻璃生产工艺与常规耐火材料更相容，并且提升温度可能导致炉中的耐火元件的腐蚀。因此，200P温度越低，给定玻璃组合物对于玻璃熔化而言就越有利(所有其他因素等同的情况下)。本文所述的许多玻璃实施方式具有低于1400℃的熔化温度，或者低于1375℃，或者甚至等于或低于1350℃。

除非另有说明，否则本说明书中提供的所有组成组分、关系和比例都是摩尔％。无论是否在公开了范围之前或之后进行明确陈述，本说明书中公开的所有范围都包括被广泛公开的范围所包含的任意和全部范围与子范围。

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种实施方式的修改和变化形式，只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (27)

1.一种玻璃组合物，其包含：

(a)Al₂O₃、ZnO和SiO₂；

(b)TiO₂，它的量是至少10摩尔％且不超过20摩尔％；

(c)选自下组的碱性金属氧化物：MgO、CaO、SrO、BaO或其任意组合，量为大于或等于5.0摩尔％且小于或等于15.0摩尔％，

从而使得玻璃组合物中的MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的摩尔总和的量是至少20摩尔％且不超过35摩尔％，并且使得：

(i)BaO的量是0至10摩尔％；

(ii)MgO的量是0至10摩尔％；

(iii)CaO的量是0至10摩尔％，以及玻璃组合物中的CaO和MgO的摩尔总和小于12.5摩尔％；

(d)稀土金属氧化物即，ΣRE_mO_n，它的量是至少1.5摩尔％且不超过10摩尔％；

(e)碱金属氧化物即，ΣAlk₂O，它的量是大于或等于0摩尔％且小于或等于5摩尔％；以及

(f)不超过5摩尔％的其他组分；以及其中

(g)-5摩尔％≤Al₂O₃(摩尔％)–1.5ΣRE_mO_n(摩尔％)–ΣAlk₂O(摩尔％)≤+5摩尔％，其中，玻璃组合物包含大于或等于30摩尔％且小于或等于45摩尔％SiO₂。

2.如权利要求1所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物包含大于或等于15摩尔％ZnO。

3.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物包含小于或等于15摩尔％Al₂O₃。

4.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物具有折射率n_d是1.66≤n_d≤1.83。

5.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物在20-300℃的范围内，具有大于或等于60x10^-7K^-1且小于或等于70x10^-7K^-1的线性热膨胀系数α_20-300。

6.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物在20-100℃的范围内，具有大于或等于50x10^-7K^-1且小于或等于60x10^-7K^-1的线性热膨胀系数α_20-100。

7.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃具有大于或等于95GPa的杨氏模量。

8.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃具有小于或等于120GPa的杨氏模量。

9.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃密度d是3.2g/cm³≤d≤3.9g/cm³。

10.如权利要求9所述的玻璃组合物，其中，玻璃密度d是小于或等于3.5g/cm³。

11.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃的液相线温度小于或等于1410℃。

12.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃的熔化温度Tm小于或等于1410℃。

13.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃具有大于或等于600℃且小于或等于700℃的玻璃转化温度Tg。

14.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃具有结晶起始温度Tx，使得(Tx-Tg)之差大于或等于130℃，式中，Tg是玻璃转化温度。

15.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃的比模量大于或等于30GPa*cm³/g。

16.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃具有小于或等于1.0MPa/℃的比值α_20-300E/(1-ν)，式中，α_20-300是20-300℃范围内的线性热膨胀系数，E是杨氏模量，以及ν是泊松比。

17.如权利要求1-2中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃具有大于或等于0.20cm³/g的(n_d-1)/d比值，式中，n_d是折射率，以及d是玻璃密度。

18.如权利要求1所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物包含：

(a)大于或等于30.0摩尔％且小于或等于35.0摩尔％SiO₂；

(b)大于或等于12.0摩尔％且小于或等于20.0摩尔％TiO₂；

(c)大于或等于10.0摩尔％且小于或等于15.0摩尔％Al₂O₃；

(d)大于或等于5.0摩尔％且小于或等于10.0摩尔％的稀土金属氧化物；

(e)大于或等于15.0摩尔％至小于或等于20.0摩尔％ZnO。

19.如权利要求18所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物具有折射率n_d是1.78≤n_d≤1.83。

20.如权利要求18-19中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物在20-300℃的范围内具有小于或等于60x10^-7K^-1的线性热膨胀系数α_20-300。

21.如权利要求18-19中任一项所述的玻璃组合物，其中，玻璃组合物具有：大于或等于1.75的折射率n_d；以及在20-300℃的范围内小于或等于65x10^-7K^-1的线性热膨胀系数α_20-300。

22.如权利要求1所述的玻璃组合物，其包含：至少30.0摩尔％SiO₂，所述玻璃不含铁、铅、锑和钽的氧化物，所述玻璃具有大于或等于1.75的折射率n_d，以及在20-300℃的温度范围内小于或等于65x10^-7K^-1的线性热膨胀系数α_20-300。

23.如权利要求1所述的玻璃组合物，其包含：至少30至35摩尔％SiO₂，10至15摩尔％Al₂O₃，15至20摩尔％TiO₂，15至20摩尔％ZnO，以及5至10摩尔％La₂O₃。

24.一种铝硅酸锌盐玻璃，其包含：

(a)大于或等于10重量％且小于或等于20重量％TiO₂；

(b)大于或等于20重量％且小于或等于35重量％的(MgO+CaO+SrO+BaO+ZnO)，其包括

a.0至5重量％MgO，

b.0至5重量％CaO，

c.0至10重量％BaO，

d.(CaO+MgO)之和小于10重量％；

e.选自下组的碱性金属氧化物：MgO、CaO、SrO、BaO或其任意组合，量为大于或等于5.0摩尔％且小于或等于15.0摩尔％；

(c)大于或等于8重量％且小于或等于25重量％的稀土金属氧化物,即ΣRE_mO_n；

(d)大于或等于0重量％且小于或等于5重量％的碱金属氧化物，即ΣAlk₂O；以及

(e)不超过5重量％的其他物质，其中，玻璃组合物包含大于或等于15重量％SiO₂，以及其中，玻璃组合物包含小于或等于15重量％Al₂O₃。

25.如权利要求24所述的玻璃，其中，玻璃组合物包含大于或等于15重量％ZnO。

26.如权利要求24-25中任一项所述的玻璃，其中，玻璃具有：1.78-1.83的折射率n_d；小于或等于3.9g/cm³的密度；600℃至700℃的玻璃转化温度Tg；30-34GPa*cm³/g的比模量；以及小于或等于1410℃的液相线温度和大于或等于(Tg+130)℃的结晶起始温度Tx。

27.一种玻璃制品，其包含铝硅酸锌盐玻璃，以摩尔％计，玻璃包含：

a)大于或等于10摩尔％且小于或等于20摩尔％TiO₂；

b)大于或等于20摩尔％且小于或等于35摩尔％的(MgO+CaO+SrO+BaO+ZnO)；包括0至10摩尔％MgO，0至10摩尔％CaO，0至10摩尔％BaO，(CaO+MgO)之和小于12.5摩尔％，其中，碱性金属氧化物选自下组：MgO、CaO、SrO、BaO或其任意组合，量为大于或等于5.0摩尔％且小于或等于15.0摩尔％；

c)大于或等于1.5摩尔％且小于或等于10摩尔％的稀土金属氧化物，即ΣRE_mO_n；

d)大于或等于0摩尔％且小于或等于5摩尔％的碱金属氧化物，即ΣAlk₂O；以及

e)不超过5摩尔％的相容物质，

f)其中，满足如下条件：-5摩尔％≤Al₂O₃(摩尔％)–1.5ΣRE_mO_n(摩尔％)–ΣAlk₂O(摩尔％)≤+5摩尔％，

其中，玻璃包含大于或等于30摩尔％且小于或等于45摩尔％SiO₂。

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