CN113443839A - 使用双离子交换进行强化的盖板玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用双离子交换进行强化的盖板玻璃。本公开的各种实施例公开了通过双离子交换工艺对玻璃进行化学强化处理。在所述双离子交换期间，离子被交换，随后是另一离子交换。所述离子交换工艺是基于所述玻璃中不同大小的离子进行，使得较小离子被较大离子取代。这会增加所述玻璃内部的压缩应力。通过进行所述双离子交换对玻璃进行处理会产生压缩应力层，所述压缩应力层形成坚韧的玻璃表面。此外，作为在所述玻璃上进行的所述双离子交换工艺的结果，可以获得应力‑DOC廓线。曲线下总面积与压缩深度的乘积可用于定义与传统的确定玻璃强度的方法相比更准确的玻璃的跌落断裂抵抗因子FBRF。
Description
优先权声明
本申请要求2020年3月25日提交的印度临时申请序列第202021012925号的优先权的权益，该印度临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及强化锂铝硅酸盐玻璃。更具体来说，本公开涉及一种强化此类玻璃的方法。甚至更具体来说，本公开通过详细考虑压缩应力-压缩深度(DOC)廓线曲线及离子交换和DOC的程度而集中于化学强化玻璃的跌落断裂抵抗因子(FBRF)及其计算。
背景技术
近年来，玻璃被广泛用作诸如移动电话、娱乐装置、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴装置等电子装置中的覆盖板。盖板玻璃用于增加对这些电子装置显示屏的保护。因此，这些玻璃应被制造成具有高压缩应力，使得玻璃在受到高拉伸应力时可以承受。化学强化玻璃具有强度随着表面压缩应力和压缩深度(DOC)的增加而增加的趋势。为了保持与表面压缩应力的平衡，在玻璃内部产生内部拉伸应力，并且结果，拉伸应力随着表面压缩应力和DOC的增加而增加。当具有大拉伸应力的玻璃断裂时，裂缝方式是剧烈的，并且具有许多碎片。因此，重要的是开发具有改进的承受性的强化玻璃材料。
传统上，玻璃的强化通过压缩应力-DOC廓线来定义。具体来说，玻璃的强化是通过进行双离子交换工艺获得的。应力-DOC廓线包含斜率不同的两个区域。每个区域的斜率被认为是估算玻璃强度性能的测量参数。此类测量不太准确，因为对于双离子交换工艺，应力-DOC数据的图表可能不是线性的。如果假设图表是线性的，则满足诸如客户要求的服务强度等参数的最终开发工艺将会被误导。因此，需要可帮助满足化学强化玻璃材料的服务强度要求的最佳计算参数。
鉴于上述情况，需要准确地使用应力-DOC廓线，并且从而影响化学强化玻璃材料的服务强度的参数。更具体来说，本公开描述一种不同的计算途径，以通过使用非线性曲线来影响玻璃材料的服务强度，这不同于集中于应力-DOC廓线曲线的线性性质的传统方法。
本发明的目的
本文描述了本公开的一些目的。本公开的目的是提供一种经历双离子交换工艺的玻璃组合物。另一个目的是将碱性铝硅酸盐玻璃材料用于盖板玻璃。
本公开的另一个目的是通过化学强化双离子交换工艺来增加盖板玻璃的强度。
本公开的另一个目的是为化学强化玻璃提供压缩应力-压缩深度(CS-DOC)廓线。本公开的另一个目的是基于CS-DOC廓线的曲线下面积和压缩深度(DOC)的大小来确定跌落断裂抵抗因子(FBRF)。FBRF指示通过在利用双离子交换工艺对玻璃进行处理后，由玻璃提供的对抗断裂的抵抗力。
本公开的另一个目的是提供一种具有更高FBRF的盖板玻璃，其代表具有更高的性能强度、更好的使用寿命、更高的抗裂性以及更好的承受来自更高高度的急剧冲击的能力(以下称为更高的急剧冲击强度)的玻璃。
从以下描述中，本公开的其他目的和优点将变得更加明显，这些描述并不旨在限制本发明的范围。
发明内容
在实施例中，本公开描述一种盖板玻璃和一种玻璃组合物。所述玻璃组合物包含一或多种化学组分，诸如SiO2、Al2O3、Li2O、B2O3和Na2O。所述玻璃组合物还可以包含其他化学组分，诸如ZrO2、MgO、P2O5、ZnO、SnO2、Fe2O3等。
在实施例中，本公开描述一种用于盖板玻璃的锂系铝硅酸盐玻璃组合物。
在实施例中，玻璃通过双离子交换工艺进行的化学强化处理而被提供有高强度。
在实施例中，在双离子交换工艺中，一个离子对被交换，随后是另一离子交换，所述另一离子交换重新引入原始离子或在玻璃的最外表面层中引入另一个离子。在实施例中，基于玻璃组合物中不同尺寸的离子来进行离子交换工艺。当较大离子(带电粒子)迁移到玻璃表面中较小离子的空间中时，较大离子取代原来在玻璃表面中的较小离子。当玻璃冷却时，较大离子将玻璃压缩在一起，从而产生压缩应力层，所述压缩应力层形成坚韧的表面。在实施例中，通过进行双离子交换来处理玻璃会增加玻璃的结合强度。
在实施例中，双离子交换工艺包括通过在不同浓度的盐浴中进行多次、连续的离子交换处理来处理锂铝硅酸盐玻璃。例如，双离子交换工艺包含在硝酸钠(NaNO3)浴中然后在硝酸钾(KNO3)浴中处理锂铝硅酸盐玻璃，以进行分步离子交换工艺。第一离子交换工艺包含用钠离子化学交换锂离子。此外，第二离子交换工艺包含用钾离子化学交换钠离子。锂离子的尺寸<钠离子的尺寸<钾离子的尺寸。
在实施例中，在第一离子交换工艺期间，盐浴包含5-95重量％的NaNO3和5-95重量％的KNO3。在第二离子交换工艺期间，盐浴包含0-50重量％的NaNO3和50-100重量％的KNO3。盐浴中使用的NaNO3和KNO3的量仅为示例性目的而给出，并且不应被解释为限制本公开的范围。
在实施例中，第一离子交换工艺可以在高于300℃的温度下进行0.5小时至8小时的持续时间。在实施例中，第二离子交换工艺可以在高于300℃的温度下进行0.1小时至5小时的持续时间。
在实施例中，作为第一离子交换工艺的结果，玻璃处于大于75MPa的压缩应力(CS)下，并且可以获得大于30μm的压缩深度(DOC)。此外，作为第二离子交换工艺的结果，玻璃处于大于130MPa的压缩应力和大于5μm的DOC下。
在实施例中，作为在锂铝硅酸盐玻璃上进行的双离子交换处理的结果，可以获得本质上非线性的CS-DOC廓线。CS-DOC廓线包含二或更多条曲线。数学上，跌落断裂抵抗因子(FBRF)被定义为曲线下总面积与其最大压缩深度的乘积。曲线下总面积可以通过积分公式得到。玻璃的FBRF被描述为玻璃在施加的外力作用下对抗断裂的抵抗力。本发明描述玻璃在通过双离子交换工艺处理后其FBRF值。
在实施例中，离子交换玻璃的FBRF可以大于某个阈值，使得玻璃相对指示更高的强度。例如，FBRF的阈值可以大于700GPa.(μm)2，其已经包括在本文中，但不限制本发明的范围。
在实施例中，更高的FBRF值定义玻璃的更高强度、更好的使用寿命、更高的抗裂性和更高的急剧冲击强度。根据这个值，玻璃的强度可以根据客户的要求而提高。
在实施例中，玻璃可以用作触摸面板显示器和后盖显示器的衬底，诸如液晶显示器(LCD)、场发射显示器(LCD)、等离子体显示器(PD)、电致发光显示器(ELD)、有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED等。所述玻璃也可用作太阳能电池盖板玻璃的衬底、磁盘的衬底和窗玻璃。此外，盖板玻璃可以用于保护显示屏，诸如电子装置的基于触摸的显示器，所述电子装置诸如是移动电话、智能电话、平板电脑、可佩戴装置、数码相机等。盖板玻璃可用于电子装置的背面，其不仅提供强度，而且提供更好的电磁传输。然而，盖板玻璃的应用不限于上述信息，并且还可以用作标志、建筑内部和外部、汽车内部显示器和挡风玻璃、与各种运输方式相关的窗户以及许多其他的衬底。
从以下详细描述中，本公开的这些和其他方面、优点和显著特征将变得显而易见。
附图说明
被认为是新颖的本发明的特征在所附权利要求中具体阐述。在此之后，本文将结合附图描述本发明的实施例，提供附图是为了说明而不是限制权利要求的范围，其中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是示出根据本公开的示例性实施例的压缩应力-压缩深度(CS-DOC)廓线曲线的图。
具体实施方式
在下面的描述中，在附图所示的所有几个视图中，相同的附图标记表示相同或相应的部分。还应当理解，除非另有说明，否则诸如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等术语是方便的词语，并且不应被解释为限制性术语。此外，每当一个组被描述为包含一组元素及其组合中的至少一个时，应当理解，该组可以包含单独或彼此组合的列举的任何数量的该元素、基本上由单独或彼此组合的列举的任何数量的该元素组成或由单独或彼此组合的列举的任何数量的该元素组成。相似地，每当一个组被描述为由一组元素或其组合中的至少一个组成时，应当理解，该组可以由单独或彼此组合的列举的任何数量的那些元素组成。除非另有说明，否则当引用时，值的范围包括范围的上限和下限以及其间的任何范围。除非另有说明，否则如文所用的不定冠词“一(a)、(an)”和相应的定冠词“该”表示“至少一个”或“一或多个”。还应当理解，说明书和附图中公开的各种特征可以以任何和所有组合使用。
如本文所用的术语“玻璃制品(glass article和glass articles)”以其最广泛的意义使用，以包括全部或部分由玻璃制成的任何物体。除非另有说明，否则所有组合物均以摩尔百分比(摩尔％)表示，并且所有离子交换浴组合物以重量百分比(重量％)表示。除非另有说明，否则所有温度都以摄氏度(℃)表示。
注意，术语“基本上”和“约”在本文中可用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定度。这些术语在本文中也用于表示定量表示可以相对于所述参考变化而不会导致所讨论的主题的基本功能发生变化的程度。
如本文所用的术语“压缩深度”和“DOC”是指玻璃内的应力从压缩应力变为拉伸应力的深度。压缩应力在玻璃表面有最大值(深度＝0μm)，并且稳定下降，直到达到压缩深度(DOC)。在DOC处，应力从正(压缩)应力交叉到负(拉伸)应力，并且因此具有零值。除非另有说明，否则DOC以微米(μm)表示，其中1μm＝0.001mm，并且厚度“t”在本文中以毫米表示，其中1mm＝1000μm。
如本文所用，除非另有说明，否则术语“层深度”和“DOL”是指离子交换层的深度，并且以微米(μm)表示，其中1μm＝0.001mm，并且厚度“t”在本文中以毫米表示，其中1mm＝1000μm。
如本文所述的压缩应力(CS)和中心张力(CT)用兆帕(MPa)表示。根据本领域通常使用的惯例，压缩应力表示为负值(<0)，并且拉伸应力表示为正值(>0)。然而，在整个说明书中，压缩应力被表示为正值或绝对值，即，如本文所述，CS＝|CS|。
现在参考图1，应当理解，这些图示是为了描述特定的实施例，而不旨在限制本公开或所附权利要求。附图不一定按比例绘制，并且为了清楚和简明起见，附图的某些特征和某些视图可能按比例或以示意性的方式示出。
本公开涉及经历双离子交换工艺以形成化学钢化玻璃的碱性铝硅酸盐玻璃。在离子交换工艺中，较小阳离子在碱性铝硅酸盐玻璃表面的一定压缩深度内被盐浴中可获得的相同化合价(通常为1+)的较大阳离子取代，以形成压缩应力层，从而改善碱性铝硅酸盐玻璃的机械性能。在离子交换工艺中，较大阳离子(带电粒子)迁移到玻璃表面，取代原来在玻璃中的较小阳离子。当玻璃冷却时，较大阳离子将玻璃压缩在一起，从而产生压缩应力层，所述压缩应力层形成坚韧的表面。控制诸如时间、温度以及铝硅酸盐玻璃所浸入的盐浴中的盐浓度等条件，以获得所需的压缩深度(DOC)和压缩应力(CS)。对于给定的厚度，时间、温度和浴的盐浓度是影响CS和DOC的关键参数。
图1示出了根据本公开的示例性实施例的压缩应力-压缩深度(CS-DOC)廓线曲线。如本文所用的CS-DOC廓线的曲线(如图1所示)对应于碱性铝硅酸盐玻璃(例如锂铝硅酸盐玻璃)的强化工艺。在一个实施例中，所述工艺通过在不同浓度的盐浴中进行双离子交换处理来进行。所述处理包含以下步骤：在第一盐浴中处理碱性铝硅酸盐玻璃，用较大碱金属阳离子取代至少一部分较小碱金属阳离子，确定碱性铝硅酸盐玻璃表面层上相应的压缩应力的第一压缩深度(D步骤1)，在第二盐浴中进一步处理碱性铝硅酸盐玻璃，以及用另一种更大碱金属阳离子取代至少一部分被取代的碱金属阳离子(先前添加的较大阳离子)，导致对应于小于第一压缩深度(D步骤1)的第二压缩深度(D步骤2)的更高的压缩应力。用较大碱金属阳离子取代较小碱金属阳离子会增加压缩层中的压缩应力，并且增加碱性铝硅酸盐玻璃表面的抗损伤性，从而增强碱性铝硅酸盐玻璃的强度。
图1所示的CS-DOC廓线可以作为碱性铝硅酸盐玻璃在不同浓度的盐浴中进行双离子交换处理的结果而获得。曲线图100包括表示层深度(x)的X轴和表示相应压缩应力f(x)的Y轴。曲线图100显示作为深度(x)的函数的压缩应力f(x)。在离子交换的第一步骤(步骤1)，使压缩应力等于深度x1的函数，其由以下等式表示：
Y1＝f(x1) (1)
其中，
Y1表示作为第一步离子交换的结果而获得的第一压缩应力。
在离子交换的第二步骤(步骤2)，使压缩应力等于深度x2的函数，其由以下等式表示：
Y2＝f(x2) (2)
其中，
Y2表示作为第二步离子交换的结果而获得的第二压缩应力。
由于离子的化学扩散本质上是非线性的，因此CS-DOC廓线是非线性的。曲线是近似抛物线(基本上抛物线)廓线。如图1所示，CS-DOC廓线包含分别在等式(1)和(2)的曲线下的第一区域102和第二区域104。第一压缩应力(Y1＝f(x1))曲线下的第一区域102限定离子交换的第一步骤。第一区域102从第一压缩深度(D步骤1)延伸到第二压缩深度(D步骤2)。第二压缩应力(Y2＝f(x2))曲线下的第二区域104限定离子交换的第二步骤。第二区域104从第二压缩深度(D步骤2)延伸到原点。此处，第二压缩深度(D步骤2)小于第一压缩深度(D步骤1)。等式(1)和(2)的曲线下面积描述玻璃中存储的能量大小。它由积分公式表示：
其中，
等式(3)的积分公式表示描述随着第一压缩应力f(x1)的增加而使深度从D步骤1到D步骤2减小的等式(1)的曲线下面积与描述随着第二压缩应力f(x2)的增加使深度从D步骤2减小的等式(2)的曲线下面积的总和。
跌落断裂抵抗因子(FBRF)的值被定义为曲线下面积与CS-DOC廓线的DOC值的乘积。
FBRF＝(曲线下面积)x(压缩深度)((GPa.μm)*μm) (4)
其中，
曲线下面积由等式(3)定义的公式计算，并且压缩深度(DOC)是图1定义的D步骤1的值。
如图1所示，等式(1)和(2)的曲线之间的过渡具有拐点形状。拐点相交处的压缩应力在作为层深度(DOL)的深度处确定。此处，D步骤2是DOL。特别地，拐点相交处的压缩应力被称为“拐点应力”，并且在本文中被表示为CSk。此外，最大压缩应力在本文中被表示为CSm。
FBRF影响玻璃的性能强度，而与由曲线定义的斜率无关。FBRF指示通过在利用双离子交换工艺对玻璃进行处理后，由玻璃提供的对抗断裂的抵抗力。离子交换条件影响玻璃的强度和FBRF。因此，具有高FBRF值的玻璃定义更高的强度、更好的使用寿命、更高的抗裂性和承受急剧冲击的更高高度。在实施例中，玻璃的FBRF可以大于某个阈值，使得离子交换玻璃相对指示更高的强度。例如，玻璃的FBRF值大于700GPa.(μm)2将抵抗急剧冲击跌落。
在一些实施例中，根据需要，可以通过相应地微调双离子交换工艺来获得所需FBRF值。双离子交换工艺用于化学强化玻璃。在这种工艺中，玻璃表面层上的较小离子和与玻璃中存在的较小离子具有相同价态或氧化态的较大离子进行交换。这种离子交换，优选金属阳离子的交换，是在盐浴中进行的，其中盐浴的较大阳离子取代玻璃的较小阳离子。这种离子交换通常从玻璃的顶面开始，并且延伸到顶面以下的一定深度。这种离子交换工艺在从玻璃顶面到该深度的区域中产生压缩应力。这种压缩应力导致拉伸应力增加，从而强化玻璃材料。
所用的玻璃是碱性铝硅酸盐玻璃，厚度范围为20微米至2mm。厚度为0.7mm的碱性铝硅酸盐玻璃样品在表1所列的条件下在第一离子交换浴(第一步骤)中进行离子交换，然后在第二离子交换浴(第二步骤)中进行离子交换。
表1示出了示例性玻璃组合物的双离子交换工艺的每个步骤的不同反应条件和压缩应力(CS)-压缩深度(DOC)值，以及其相应的跌落断裂抵抗因子(FBRF)和中心张力(CT)的属性值。
表1：具有用于双离子交换工艺的每一步骤的DOC和CS以及相应的FBRF和CT的属性值的示例性玻璃样品
在实施例中，玻璃材料的强化优选通过双离子交换工艺进行。对于锂铝硅酸盐玻璃材料的双离子交换工艺，待取代的碱金属离子是锂离子(Li+)。优选使用的盐浴是钠离子(Na+)浴和钾离子(K+)浴。更优选地，所使用的盐浴包含NaNO3和KNO3的盐。在离子交换的第一步骤中，锂离子被玻璃材料表面内的至少钠离子取代。在示例性实施例中，第一离子交换的盐浴包含5重量％至95重量％范围的NaNO3和5重量％至95重量％范围的KNO3。处理玻璃材料的优选温度大于300℃，并且处理玻璃材料的时间为约0.5小时至8小时。离子交换的第一步骤的应力廓线包含大于75MPa的压缩应力和大于30μm的压缩深度。此外，在离子交换的第二步骤中，钠离子被玻璃材料表面内的至少钾离子取代。盐浴包含50重量％至100重量％范围的KNO3和0重量％至50重量％范围的NaNO3。处理玻璃材料的优选温度大于300℃，并且处理玻璃材料的时间为约0.1小时至5小时。离子交换的第二步骤的应力廓线包含大于130MPa的压缩应力和大于5μm的压缩深度。
在实例中，使用的玻璃是锂铝硅酸盐玻璃。在第一离子交换中，碱金属浴包含40重量％的NaNO3和60重量％的KNO3。此玻璃衬底在390℃的温度下浸入碱金属浴中4小时时间段。材料经历对应于161.09μm深度的147.89MPa的压缩应力。在浸入第一浴后，进行玻璃的第二离子交换处理。第二离子交换浴包含100重量％的KNO3。玻璃衬底在390℃的温度下浸入第二离子交换浴中12分钟。材料经历对应于13.25μm深度的1261.68MPa的压缩应力。在玻璃通过本文上述工艺强化后，玻璃的FBRF达到一定的值，所述值与对急剧冲击跌落的抵抗力有关。关于正在进行的示例性场景，已经获得为3107GPa.(μm)2的FBRF值。另外，获得的中心张力(CT)为51MPa。由于FBRF的值大于700GPa.(μm)2，因此所提供的双离子交换条件使得玻璃抵抗急剧冲击跌落。
在另一实例中，使用的玻璃是锂铝硅酸盐玻璃。第一离子交换浴包含40重量％的NaNO3和60重量％的KNO3。此玻璃衬底在420℃的温度下浸入第一离子交换浴中4小时时间段。材料经历对应于209.10μm深度的103.68MPa的压缩应力。在浸入第一浴后，进行玻璃的第二离子交换处理。第二离子交换浴包含90重量％的KNO3和10重量％的NaNO3。玻璃衬底在380℃的温度下浸入第二离子交换浴中1.5小时。材料经历对应于15.39μm深度的719.21MPa的压缩应力。在玻璃通过本文上述工艺强化后，玻璃的FBRF达到一定的值，该值与对急剧冲击跌落的抵抗力有关。关于正在进行的示例性场景，FBRF的值已经获得为3257GPa.(μm)2。另外，获得的中心张力(CT)为55MPa。由于FBRF的值大于700GPa.(μm)2，因此所提供的双离子交换条件允许玻璃抵抗急剧冲击跌落。
在另一实例中，使用的玻璃是锂铝硅酸盐玻璃。第一离子交换浴包含20重量％的NaNO3和80重量％的KNO3。此玻璃衬底在380℃的温度下浸入第一离子交换浴中4小时时间段。材料经历对应于190.80μm深度的97.03MPa的压缩应力。在浸入第一浴后，进行玻璃的第二离子交换处理。第二离子交换浴包含90重量％的KNO3和10重量％的NaNO3。玻璃衬底在420℃的温度下浸入第二离子交换浴中45分钟。材料经历对应于14.5μm深度的774.74MPa的压缩应力。在玻璃通过本文上述工艺强化后，玻璃的FBRF达到一定的值，该值与对急剧冲击跌落的抵抗力有关。关于正在进行的示例性场景，FBRF的值已经获得为2704GPa.(μm)2。此外，获得的中心张力(CT)为45MPa。由于FBRF的值大于700GPa.(μm)2，因此所提供的双离子交换条件允许玻璃抵抗急剧冲击跌落。
本领域普通技术人员将会理解，以上给出的FBRF的具体值仅用于示例性目的，并且不应被解释为对本公开范围进行限制。
双离子交换工艺主要受玻璃的组成影响。因此，玻璃的组成是在其经历强化工艺之前要考虑的重要因素。合适的玻璃组成有助于优化强化工艺，在本文指双离子交换工艺。
在实施例中，玻璃组合物的各种组分的最佳摩尔％包括约50摩尔％至约75摩尔％的SiO2、约5摩尔％至约22摩尔％的Al2O3和约0摩尔％至约10摩尔％的B2O3。在实施例中，玻璃组合物进一步包括约5摩尔％至30摩尔％的碱金属氧化物R2O的总和，其中R是Li、Na和K中的至少一种。在实施例中，玻璃组合物进一步包括约0摩尔％至约15摩尔％的碱土金属氧化物RO的总和，其中R是Mg、Ca、Sr和Ba中的至少一种。在实施例中，玻璃组合物进一步包括约0摩尔％至约10摩尔％的P2O5、约0摩尔％至约10摩尔％的ZnO和约0摩尔％至约10摩尔％的ZrO2。在实施例中，玻璃组合物进一步包括一或多种精炼剂，诸如约0摩尔％至约2.5摩尔％的SnO2和约0摩尔％至约2.5摩尔％的Fe2O3。进一步，它还可以包括其他精炼剂，诸如CeO2、氯化物、硫酸盐、硝酸盐等。
在另一个示例性实施例中，玻璃组合物的各种组分的最佳摩尔％包括约50摩尔％至约75摩尔％的SiO2、约5摩尔％至约22摩尔％的Al2O3、5摩尔％至15摩尔％的Li2O和约0摩尔％至约10摩尔％的B2O3。在实施例中，玻璃组合物另外包括5摩尔％至30摩尔％范围内的Na2O+K2O和0摩尔％至7摩尔％范围内的MgO。在实施例中，玻璃组合物进一步包括约0摩尔％至约7摩尔％的P2O5、约0摩尔％至约7摩尔％的ZnO和约0摩尔％至约7摩尔％的ZrO2。在实施例中，玻璃组合物进一步包括一或多种精炼剂，诸如约0摩尔％至约2.5摩尔％的SnO2和约0摩尔％至约2.5摩尔％的Fe2O3。此外，玻璃组合物进一步包括约0摩尔％至约2摩尔％的TiO2。
在另一个示例性实施例中，玻璃更优选为锂铝硅酸盐玻璃。在一个示例性实施例中，玻璃组合物包括约60摩尔％至约72.2摩尔％的SiO2、约8.5摩尔％至约16.6摩尔％的Al2O3、0摩尔％至约4.3摩尔％的B2O3、约8.8摩尔％至约30摩尔％的R2O(其中R是Li、Na和K中的至少一种)、0摩尔％至约7.7摩尔％的RO(其中R是Mg、Ca和Sr中的至少一种)，以及约0摩尔％至约3.2摩尔％的P2O5。玻璃组合物可进一步包括约0摩尔％至约3.5摩尔％的ZnO和约0摩尔％至约3摩尔％的ZrO2。
表2示出了本公开示例性玻璃的非限制性示例性组成。碱金属氧化物和碱土金属氧化物的源材料选自由碳酸盐和硝酸盐组成的群组。例如，在下面的表2-7中，Na2O(C)定义钠(Na)的源材料是碳酸钠。类似地，在下表7中，Na2O(N)定义钠(Na)的源材料是硝酸钠。
| 摩尔％ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
| SiO<sub>2</sub> | 65.7 | 69.5 | 68.0 | 67.5 | 70.9 | 69.1 | 71.2 | 71.1 | 70.9 | 71.2 | 69.5 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 15.3 | 14.5 | 13.9 | 14.5 | 13.9 | 13.5 | 12.9 | 9.6 | 9.3 | 9.5 | 14.5 |
| B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0.4 | 0.1 | 1.4 | 0.1 | 0.2 | 2.4 | 0.0 | 1.7 | 1.2 | 0.8 | 0.1 |
| Na<sub>2</sub>O(C) | 8.7 | 5.2 | 7.2 | 4.6 | 4.0 | 6.4 | 3.9 | 5.4 | 5.6 | 5.5 | 5.2 |
| Li<sub>2</sub>O(C) | 7.4 | 10.1 | 8.0 | 11.1 | 10.0 | 6.9 | 10.9 | 8.0 | 8.1 | 8.5 | 10.1 |
| K<sub>2</sub>O(C) | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.3 | 0.1 | 0.0 | 0.0 |
| MgO(C) | 0.3 | 0.5 | 1.2 | 0.2 | 0.9 | 1.3 | 0.0 | 3.8 | 4.7 | 4.5 | 0.5 |
| CaO(C) | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| ZnO | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| ZrO<sub>2</sub> | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| SnO<sub>2</sub> | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.20 | 0.20 |
| P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 2.1 | 0.0 | 0.0 | 1.8 | 0.0 | 0.2 | 0.9 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| 总计 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/R<sub>2</sub>O | 0.95 | 0.95 | 0.91 | 0.92 | 1.00 | 1.02 | 0.87 | 0.70 | 0.68 | 0.68 | 0.95 |
表2：玻璃的示例性组成
表3示出了本公开示例性玻璃的非限制性示例性组成。
| 摩尔％ | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 |
| SiO<sub>2</sub> | 65.9 | 65.9 | 67.1 | 67.5 | 67.1 | 69.9 | 68.2 | 66.0 | 68.91 | 67.5 | 67.1 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 8.5 | 8.5 | 10.5 | 9.9 | 9.9 | 12.6 | 14.6 | 8.5 | 10.6 | 9.9 | 10.0 |
| B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.6 | 0.0 | 0.0 | 0.4 | 0.4 |
| Na<sub>2</sub>O(C) | 10.4 | 10.4 | 10.5 | 10.9 | 10.8 | 6.2 | 6.0 | 10.4 | 8.7 | 3.5 | 3.5 |
| Li<sub>2</sub>O(C) | 12.1 | 12.1 | 10.7 | 8.3 | 8.5 | 10.6 | 10.5 | 12.1 | 8.8 | 12.6 | 13.9 |
| K<sub>2</sub>O(C) | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.7 | 1.2 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| MgO(C) | 2.9 | 0.0 | 1.1 | 2.6 | 2.5 | 0.3 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| CaO(C) | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 3.0 | 2.0 |
| ZnO | 0.0 | 2.9 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| ZrO<sub>2</sub> | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 2.9 | 2.9 | 3.0 | 3.0 |
| SnO<sub>2</sub> | 0.20 | 0.20 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.10 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 |
| P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.3 | 0.2 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| 总计 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/R<sub>2</sub>O | 0.38 | 0.38 | 0.49 | 0.49 | 0.48 | 0.75 | 0.89 | 0.38 | 0.61 | 0.61 | 0.57 |
表3：玻璃的示例性组成
表4示出了本公开示例性玻璃的非限制性示例性组成。
表4：玻璃的示例性组成
表5示出了本公开示例性玻璃的非限制性示例性组成。
| 摩尔％ | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 |
| SiO<sub>2</sub> | 65.7 | 66.0 | 60.0 | 65.9 | 64.4 | 61.9 | 64.0 | 65.9 | 62.2 | 64.7 | 63.6 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 13.4 | 13.4 | 12.0 | 12.0 | 12.0 | 16.2 | 16.0 | 12.0 | 16.6 | 12.0 | 14.0 |
| B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0.0 | 0.0 | 1.9 | 0.0 | 1.5 | 0.0 | 1.3 | 2.0 | 0.2 | 1.5 | 1.5 |
| Na<sub>2</sub>O(C) | 11.0 | 11.1 | 5.9 | 10.0 | 10.0 | 11.9 | 6.2 | 10.0 | 9.0 | 10.0 | 10.0 |
| Li<sub>2</sub>O(C) | 5.3 | 5.4 | 12.2 | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 9.9 | 6.5 | 8.2 | 6.5 | 6.5 |
| K<sub>2</sub>O(C) | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.9 | 0.8 | 0.9 | 0.5 |
| MgO(C) | 0.0 | 3.1 | 1.4 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.5 | 0.4 | 0.5 | 0.2 |
| CaO(C) | 0.0 | 0.0 | 1.6 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| ZnO | 3.5 | 0.0 | 0.0 | 3.5 | 3.5 | 1.2 | 1.1 | 0.0 | 0.0 | 1.8 | 1.6 |
| ZrO<sub>2</sub> | 0.0 | 0.0 | 3.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| SnO<sub>2</sub> | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.08 |
| P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 1.1 | 0.9 | 1.9 | 2.0 | 2.0 | 2.3 | 1.4 | 2.1 | 2.6 | 2.0 | 2.0 |
| 总计 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/R<sub>2</sub>O | 0.82 | 0.81 | 0.67 | 0.73 | 0.73 | 0.88 | 0.99 | 0.69 | 0.92 | 0.69 | 0.82 |
表5：玻璃的示例性组成
表6示出了本公开示例性玻璃的非限制性示例性组成。
表6：玻璃的示例性组成
表7示出了本公开示例性玻璃的非限制性示例性组成。
| 摩尔％ | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 |
| SiO<sub>2</sub> | 64.40 | 65.42 | 65.42 | 65.41 | 58.70 |
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 12.00 | 12.00 | 12.00 | 12.00 | 17.11 |
| B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 1.50 | 1.78 | 1.78 | 1.78 | 5.77 |
| Na<sub>2</sub>O(C) | 10.00 | 8.39 | 6.89 | 8.39 | 9.00 |
| Na<sub>2</sub>O(N) | 0.00 | 0.00 | 1.50 | 0.00 | 0.00 |
| Li<sub>2</sub>O(C) | 6.50 | 6.82 | 6.82 | 6.82 | 7.35 |
| K<sub>2</sub>O(C) | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.14 |
| MgO(C) | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.48 |
| ZnO | 3.52 | 3.51 | 3.51 | 3.51 | 0.00 |
| ZrO<sub>2</sub> | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| SnO<sub>2</sub> | 0.082 | 0.082 | 0.073 | 0.082 | 0.075 |
| Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0.000 | 0.000 | 0.009 | 0.009 | 0.00 |
| P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 2.00 | 2.00 | 2.00 | 2.00 | 1.37 |
| TiO<sub>2</sub> | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.0006 |
| 总计 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 | 100.00 |
表7：玻璃的示例性组成
在一个示例性实施例中，玻璃组合物包括约65.00摩尔％的SiO2、约11.1摩尔％的Al2O3、约1摩尔％的B2O3、约7.9摩尔％的Li2O、约10摩尔％的Na2O、约3.5摩尔％的ZnO、约2摩尔％的P2O5和约0.082摩尔％的SnO2。
在另一个示例性实施例中，玻璃组合物包括约63.00摩尔％的SiO2、约12摩尔％的Al2O3、约1.5摩尔％的B2O3、约8.30摩尔％的Li2O、约10摩尔％的Na2O、约3.1摩尔％的ZnO和约0.08摩尔％的SnO2。
在另一个示例性实施例中，包含约64.40摩尔％的SiO2、约12摩尔％的Al2O3、约1.50摩尔％的B2O3、约6.50摩尔％的Li2O、约10摩尔％的Na2O、约3.52摩尔％的ZnO、约2摩尔％的P2O5和约0.082摩尔％的SnO2的玻璃组合物经历两步离子交换工艺。第一离子交换浴包含20-50重量％的NaNO3和50-80重量％的KNO3。此玻璃衬底在380℃至420℃范围内的温度下浸入第一离子交换浴中0.5至5小时范围内的时间段。材料经历75至370MPa范围内的压缩应力和70至210μm范围内的相应深度。在浸入第一离子交换浴后，进行玻璃的第二离子交换处理。第二离子交换浴包含0-10重量％的NaNO3和90-100重量％的KNO3。玻璃衬底在360℃至420℃范围内的温度下浸入第二离子交换浴中12分钟至150分钟范围内的时间段。材料经历645至1250MPa范围内的压缩应力和6至25μm范围内的相应深度。在通过本文上述工艺强化玻璃后，玻璃的FBRF达到1400至3300GPa.(μm)2范围内的某一值。此外，获得的中心张力(CT)为24MPa至55MPa。
在另一个示例性实施例中，包含约65.42摩尔％的SiO2、约12摩尔％的Al2O3、约1.78摩尔％的B2O3、约6.82摩尔％的Li2O、约8.39摩尔％的Na2O、约3.51摩尔％的ZnO、约2摩尔％的P2O5和约0.082摩尔％的SnO2的玻璃组合物经历两步离子交换工艺。第一离子交换浴包含40-50重量％的NaNO3和50-60重量％的KNO3。此玻璃衬底在380℃至390℃范围内的温度下浸入第一离子交换浴中2至4小时范围内的时间段。材料经历114至130MPa范围内的压缩应力和105至182μm范围内的相应深度。在浸入第一离子交换浴后，进行玻璃的第二离子交换处理。第二离子交换浴包含0-10重量％的NaNO3和90-100重量％的KNO3。玻璃衬底在380℃至420℃范围内的温度下浸入第二离子交换浴中12分钟至4小时范围内的时间段。材料经历846至1300MPa范围内的压缩应力和6至22μm范围内的相应深度。在通过本文上述工艺强化玻璃后，玻璃的FBRF达到1700至2900GPa.(μm)2范围内的某一值。此外，获得的中心张力(CT)为34MPa至47MPa。
在另一个示例性实施例中，包含约65.42摩尔％的SiO2、约12摩尔％的Al2O3、约1.78摩尔％的B2O3、约6.82摩尔％的Li2O、约8.39摩尔％的Na2O、约3.51摩尔％的ZnO、约2摩尔％的P2O5、约0.009摩尔％的Fe2O3和约0.073摩尔％的SnO2的玻璃组合物经历两步离子交换工艺。第一离子交换浴包含40重量％的NaNO3和60重量％的KNO3。此玻璃衬底在390℃的温度下浸入第一离子交换浴中4小时的时间段。材料经历106.25MPa的压缩应力和160.36μm的相应深度。在浸入第一离子交换浴后，进行玻璃的第二离子交换处理。第二离子交换浴包含100重量％的KNO3。玻璃衬底在390℃的温度下浸入第二离子交换浴中12分钟的时间段。材料经历1251.86MPa的压缩应力和7.66μm的相应深度。在通过本文上述工艺强化玻璃后，玻璃的FBRF达到2070GPa.(μm)2的某一值。此外，获得的中心张力(CT)为34MPa。
盖板玻璃的组成对双离子交换工艺具有极好的适宜性。玻璃组合物提供高速的离子交换，从而导致离子交换时间短。玻璃的离子交换性能和压缩深度(DOC)增加，从而导致盖板玻璃的高表面压缩应力。目前，CS-DOC曲线下面积是通过假设曲线是线性的来确定的。然而，进行研究是为了找到曲线下精确面积，以确定FBRF的精确值。这会提高计算玻璃材料断裂抵抗力的准确性，并相应地提高玻璃的FBRF。
在实施例中，本公开进一步集中于这些强化玻璃组合物的应用。化学强化玻璃可用作盖板玻璃。盖板玻璃组合物用于触摸面板显示器和显示屏的后盖，诸如液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子体显示器(PD)、电致发光显示器(ELD)、有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED等。然而，盖板玻璃不限于上述应用，并且还可以用作例如触摸面板显示器的衬底、太阳能电池的盖板玻璃、磁盘的衬底和窗玻璃。
在另一个实施例中，盖板玻璃被用作与各种运输方式(诸如空中、海上或陆地)相关联的保护窗，并且用于在非运输应用中防风。此外，它还用作防火玻璃。此外，盖板玻璃也用作硬盘的衬底。此外，它可用于半导体中介层和半导体载体。通过添加成核剂，它也可用作陶瓷化形式的炉灶面。最后，盖板玻璃在各种应用中用作涂层衬底。
此外，盖板玻璃用于保护电子装置的背面，该电子装置诸如是移动电话、智能电话、平板电脑、可佩戴装置、数码相机等。除了为装置提供强度之外，需要背面上使用的盖板玻璃进行更好的电磁传输。出于设计原因，不透明的着色外观可为可能的。实现这一点的一种方式包括在玻璃熔体中加入一或多种过渡元素。该一或多种过渡元素可以是Nb2O5、ZrO2、Fe2O3、V2O5、Y2O3、MnO2、NiO、CuO、Cr2O3、Co3O4、CoO、Co2O3等中的至少一种。除了强化盖板玻璃之外，本发明还描述了玻璃系制品，诸如玻璃陶瓷。受控失透的方法有助于将玻璃转化为主要为晶体的玻璃陶瓷材料。此类玻璃陶瓷组合物包含约0摩尔％至约6摩尔％的TiO2。
本公开通过经由双离子交换工艺进行的化学强化处理提供具有高强度和高抗裂性的盖板玻璃。离子交换的性能导致盖板玻璃的高表面压缩应力。另外，本公开描述了定义玻璃材料强度的独特参数。FBRF集中于应力-DOC廓线的曲线下面积，其提高精度并且优化定义玻璃材料强度的参数分析。
虽然为了说明的目的已经阐述了典型的实施例，但是前面的描述不应该被认为是对本公开或所附权利要求的范围的限制。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到各种修改、改编和替代。
Claims (8)
1.一种化学强化玻璃，其通过碱性铝硅酸盐玻璃的双离子交换工艺获得，所述化学强化玻璃包括：
所述碱性铝硅酸盐玻璃的所述双离子交换工艺的压缩应力-压缩深度CS-DOC廓线，其中所述CS-DOC廓线包括：
第一压缩应力曲线(f(x1))下的第一区域，限定所述双离子交换工艺的第一步骤，其中所述第一区域从第一压缩深度(D步骤1)延伸到第二压缩深度(D步骤2)；和
第二压缩应力曲线(f(x2))下的第二区域，限定所述双离子交换工艺的第二步骤，其中所述第二区域从所述第二压缩深度(D步骤2)延伸到原点，其中所述第二压缩深度(D步骤2)小于所述第一压缩深度(D步骤1)，并且
其中所述化学强化玻璃的跌落断裂抵抗因子FBRF的值为700GPa.μm2或更大，所述FBRF的值基于以下等式来计算：
FBRF＝(CS-DOC廓线的曲线下面积)x(压缩深度)，
其中所述CS-DOC廓线的所述曲线下面积由以下等式表示：
其中所述压缩深度是所述第一压缩深度(D步骤1)。
2.根据权利要求1所述的化学强化玻璃，其中在所述双离子交换工艺的所述第一步骤中，将所述碱性铝硅酸盐玻璃浸入含5-95重量％的NaNO3和5-95重量％的KNO3的盐浴中。
3.根据权利要求2所述的化学强化玻璃，其中在所述双离子交换工艺的所述第一步骤中，将所述碱性铝硅酸盐玻璃在高于300℃的温度下浸入所述盐浴中。
4.根据权利要求2所述的化学强化玻璃，其中在所述双离子交换工艺的所述第一步骤中，将所述碱性铝硅酸盐玻璃浸入所述盐浴中0.5小时至8小时的持续时间。
5.根据权利要求1所述的化学强化玻璃，其中在所述双离子交换工艺的所述第二步骤中，将所述碱性铝硅酸盐玻璃浸入含0-50重量％的NaNO3和50-100重量％的KNO3的盐浴中。
6.根据权利要求5所述的化学强化玻璃，其中在所述双离子交换工艺的所述第二步骤中，将所述碱性铝硅酸盐玻璃在高于300℃的温度下浸入所述盐浴中。
7.根据权利要求5所述的化学强化玻璃，其中在所述双离子交换工艺的所述第二步骤中，将所述碱性铝硅酸盐玻璃浸入所述盐浴中0.1小时至5小时的持续时间。
8.根据权利要求1所述的化学强化玻璃，其中所述化学强化玻璃的组成具有以下内容物：
在50摩尔％至75摩尔％的范围内的SiO2，
在5至22摩尔％的范围内的Al2O3，
在5摩尔％至15摩尔％的范围内的Li2O，
在0摩尔％至10摩尔％的范围内的B2O3，
在5摩尔％至30摩尔％的范围内的Na2O+K2O，
在0摩尔％至7摩尔％的范围内的MgO，
0摩尔％至7摩尔％的ZrO2，
0摩尔％至7摩尔％的ZnO，
0摩尔％至2.5摩尔％的SnO2，
0摩尔％至2.5摩尔％的Fe2O3，
0摩尔％至2摩尔％的TiO2，和
0摩尔％至7摩尔％的P2O5。
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