CN115583795A - 一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃及其制备方法及应用 - Google Patents

一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃及其制备方法及应用 Download PDF

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薛新建
牛桃霞
王楠
李靖波
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Abstract

本发明公开了一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃及制备方法及应用，以原料组分的摩尔百分比为55％‑70％的SiO2、7％‑15％的Al2O3、0％‑5％的B2O3、6％‑15％的Na2O、0‑10％的K2O、0‑10％的MgO、0.5～2％的P2O5、0.1％～1％的SnO和0.3‑1.5％的改性添加剂混合均匀，再进行熔化、均化、成型、澄清以及退火处理后，得到高强高模、抗断裂的玻璃。根据上述组分制备的铝硅酸盐玻璃强度高，弹性模量、断裂韧性高，具有更好的抗碎裂能力，从而拓宽了铝硅酸盐玻璃应用范围。

Description

一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃及其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及铝硅酸盐玻璃制备技术领域，具体为一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃及其制备方法及应用。
众所周知，玻璃的本征强度很高，不同文献上记载虽有差异，基本在10～14GPa，但玻璃的实际强度仅140MPa，比理论强度要低几个数量级，而实际强度中，抗拉强度只有抗压强度的1/8～1/10，特别是抗冲击强度更低，使玻璃容易碎裂，从而造成人员伤亡和财产损失。
随着社会经济及科学技术的发展，在促进电子产品细分越来越完整的同时，也使得电子产品行业的竞争越来越激烈。而在性能提升基本饱和的当下，屏幕的“耐摔性”成为厂商易忽视，但消费者却又十分重视的因素。当前，屏幕的“轻薄化”、“大尺寸化”成为一众厂商追求的卖点，但是，屏幕越大、体型越轻薄，对于盖板玻璃的性能要求自然越来越高。因此，一种具有优良力学性能，尤其在硬度、弹性模量和韧性等方面具有突出表现且适合化学强化的铝硅酸盐玻璃是有较大市场价值的，本发明旨通过提高玻璃弹性模量、断裂韧性有效解决玻璃碎裂问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃及其制备方法及应用，有效的提高了玻璃弹性模量、断裂韧性，有效解决了玻璃碎裂的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，以摩尔百分比计，组分原料包括：55％-70％的SiO2、7％-15％的Al2O3、0％-5％的B2O3、6％-15％的Na2O、0-10％的K2O、0-10％的MgO、0.5～2％的P2O5、0.1％～1％的SnO和0.3％-1.5％的高配位金属氧化物添加剂；
具体的制备过程如下：
将SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、MgO、P2O5、SnO2和高配位金属氧化物添加剂混合均匀，再进行熔化、均化、成型、澄清以及退火处理后，得到高强高模、抗断裂的玻璃。
优选的，所述Al2O3和B2O3与R2O和RO的摩尔百分比满足以下关系：
1<(R2O+RO)/(Al2O3+B2O3)<3；
其中，R为金属元素；R2O+RO代表原料组分中碱金属和碱土金属氧化物的摩尔添加量总和。
优选的，所述Na2O的摩尔百分比为6％-14％，K2O的摩尔百分比为0-5％，MgO的摩尔百分比为4％-8％。
优选的，所述高配位金属氧化物添加剂为La2O3，Y2O3，ZrO2、TiO2或CeO2中的一种；所述高配位金属氧化物添加剂的摩尔百分比为0.5％-1％。
优选的，所述熔化、均化、澄清处理包括四个阶段：第一阶段加热至1000～1350℃，加热过程中的升温速率为7℃/min，待温度恒定后保温1h；第二阶段的加热温度为1350-1450℃、温度恒定后保温时间为1.5-2.5h；第三阶段的加热温度为1450-1550℃、温度恒定后保温时间为2-3h；第四阶段的加热温度为1550-1680℃、温度恒定后保温时间为3-6h。
优选的，所述退火包括三个阶段：第一阶段的加热温度为600-650℃、保温时间为1.5-3h，第二阶段的加热温度为300-450℃、退火速率为6℃/h；第三阶段的加热温度为100-450℃、退火速率为15℃/h。
优选的，所述高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃的断裂韧性为0.825MPa·m1/2至1.024MPa·m1/2。
优选的，所述高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃的弹性模量为67GPa至82GPa。
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃由上述的制备方法制得。
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃在移动显示器件/车载和航空航天固定器件防护中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明制备得到的高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃克服了常规玻璃断裂韧性较低、弹性模量较低的问题，有效的提高了玻璃的抗断裂性能，该铝硅酸盐玻璃断裂韧性为0.825MPa·m1/2至1.024MPa·m1/2，弹性模量为67GPa至82GPa。本发明的高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃在移动显示器件/车载和航空航天固定器件防护中的应用。
本发明一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，按摩尔百分比计，包括：55％-70％的SiO2、7％-15％的Al2O3、0％-5％的B2O3、6％-15％的Na2O、0-10％的K2O、0-10％的MgO、0.5～2％的P2O5、0.1％～1％的SnO2和高配位金属氧化物添加剂。本发明的制备工艺简单、受金属氧化物组分影响该铝硅酸盐玻璃兼具刚性材料的硬度和软性材料的韧性，从而构成铝硅酸盐玻璃较高的本征强度。同时，再经过化学强化后可进一步加强阻碍玻璃表面的裂纹扩展，从而提高玻璃的强度。常规的铝硅酸盐玻璃抗断裂性能较低、弹性模量较低，玻璃表面受到撞击易破碎。
进一步，SiO2是硅酸盐玻璃中最主要的网络形成体，在玻璃系统中起主要骨架的作用，提高SiO2的含量，虽然增强了玻璃骨架结构，但是玻璃液在同温度下的粘度有所提高，熔制澄清温度均会有不同程度的升高，所以适当的SiO2含量是玻璃形成的基础条件。
进一步，Al2O3不能单独形成玻璃，但对玻璃的网络结构能产生重要的影响，其主要以铝氧四面体配位结构形式存在，且本身带负电荷，会受到外来中和作用的离子影响，适量的Al2O3能够提高玻璃的化学稳定性，改善玻璃的熔融性和失透性，当其含量较高时会降低玻璃的韧性使得玻璃脆性较大。
进一步，MgO在玻璃中存在两种配位，处于中间状态，但碱金属含量不足时镁离子不会进入网络，只作为网络外体；Mg2+的外层电子结构属于惰性气体构型，其极化能力取决于离子半径的大小，Mg2+的离子半径较小，对电荷的束缚能力稍大，故其场强和极化能力较大，对玻璃的分相能力也较强；MgO在一定程度上可提高玻璃的弹性模量，进一步改善玻璃韧性，提高玻璃的稳定性和机械强度。
进一步，Y2O3和La2O3由于本身同熔点高，密度大，常被用作改善玻璃力学性能和化学稳定性的有效掺杂剂，相关文献资料显示：锗酸、硼酸以及磷酸盐等体系中，玻璃机械性能等指标均随氧化钇或氧化镧的增加而增大，而熔制温度反而降低。二者都有增加玻璃的韧性、玻璃的杨氏模量和硬度的显著作用，但是玻璃组合物中不宜添加太多，否则玻璃会变得易于发生失透且降低了玻璃的可制造性。
进一步，CeO2具有电价高、场强高的特点，不仅有降低玻璃粘度及改善玻璃液的澄清效果、消除气泡的作用，而且在玻璃组分中加入可以促进玻璃网络骨架的连接，增加玻璃网络结构中的桥氧，使硅氧四而体间的连接更加紧密，制得的玻璃结构紧凑，材料力学性能和耐碱性均冇所提高。
进一步，TiO2属于过渡族氧化物，掺杂TiO2有助于Al3+进入玻璃网络结构中，Al3+的补网作用和积聚作用使玻璃网络结构得到加强；掺杂少量TiO2时，Ti4+部分置换Si4+进入玻璃网络结构中，但随着TiO2含量的增加，Ti4+从玻璃网络中分离出来，从网络结构位置转变为网络间隙位置，逐渐降低玻璃的网络结构聚合程度，但过量会增大玻璃的析晶和失透倾向。
进一步，ZrO2可以作为玻璃网络形成体，能显著增加玻璃的强度、热稳定性和耐腐蚀性能；Zr属于区第二过渡系元素，其电子构型为4d25s2四电子结构，在其配位结构中具有四方和六方结构，可产生六配位结构进入玻璃网络结构中，通常以[ZrO6]配位结构存在于锆硅系玻璃中，锆原子之间至少被两个硅氧四面体隔幵，Zr-O-Si键的键强较高，高温下难以破坏；但过量的ZrO2会增加配位结构的数量，由于Zr4+离子半径较大，该基团在玻璃结构中属于网络修饰体，会引起析晶倾向；另外，玻璃组分中添加锆离子可以促使其它离子在玻璃结构中更加均匀分布，但会提髙玻璃的高温粘度。
进一步，本发明的铝硅酸盐玻璃按照上述给出的比例进行混合，其中，所述的高配位金属氧化物添加剂可以是单独添加，也可以是二者混合添加，合适的比例是达到最优性能的关键，因此，本发明通过具体的配方比例及性能结果展现高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃。
附图说明
图1为本发明的高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃制备流程图。
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。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，按摩尔百分比计，包括：55％-70％的SiO2、7％-15％的Al2O3、0％-5％的B2O3、6％-15％的Na2O、0-10％的K2O、0-10％的MgO、0.5～2％的P2O5、0.1％～1％的SnO和高配位金属氧化物添加剂。
优选的，所述Na2O的摩尔百分比为6％-14％，K2O的摩尔百分比为0-5％，MgO的摩尔百分比为4-8％。
优选的，所述Al2O3和B2O3与R2O和RO的摩尔百分比满足以下关系：1<(R2O+RO)/(Al2O3+B2O3)<3。其中，R为金属元素；R2O+RO代表原料组分中碱金属和碱土金属氧化物的摩尔添加量总和。
优选的，所述配方中的高配位金属氧化物添加剂可以是La或Y的稀土金属氧化物。
优选的，所述配方中的高配位金属氧化物添加剂可以是Zr、Ti或Ce的金属氧化物。
优选的，所述高配位金属氧化物添加剂可以是La或Y的稀土金属氧化物，其摩尔百分比为0.3％-1.5％。
优选的，所述的高配位金属氧化物添加剂可以是Zr、Ti或Ce的金属氧化物，其摩尔百分比为0.5％-1％。
优选的，所述玻璃组合物制备铝硅酸盐玻璃的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：将SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、MgO、SnO2和高配位金属氧化物添加剂摩尔比换算成重量比，取上述成分对应的重量进行室温混合均匀；
步骤2：将混合好的原料均分三份依次加入铂金坩埚中，第一阶段加热至1000～1350℃，加热过程中坩埚升温速率为7℃/min，温度恒定后保温1h；第二阶段温度加热至1350-1450℃、时间为1.5-2.5h，前两个阶段使原料得到充分熔化；第三阶段温度加热至1450-1550℃、时间为2-3h，第四阶段的温度加热为1550-1680℃、时间为3-6h。
步骤3：澄清后将玻璃液浇注至球磨铸铁材质的模具中；
步骤4：脱模后进行退火，退火包括三个阶段：第一阶段的温度为600-650℃、保温时间为1.5-3h，第二阶段的温度为300-450℃、退火速率为6℃/h，第三阶段的温度为100-450℃、退火速率为15℃/h；100℃后断电至室温，最终获得高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃。
本发明的高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃在移动显示器件/车载和航空航天固定器件防护中的应用。
实施例1，
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，按摩尔百分比计，包括：67.95％的SiO2、11.01％的Al2O3、0.5％的B2O3、10.75％的Na2O、2.43％的K2O、6.75％的MgO、0.5的P2O5、0.11％的SnO2
所述Al2O3和B2O3与R2O和RO的摩尔百分比满足以下关系：
R2O+RO为19.93％，(R2O+RO)/(Al2O3)为1.51，
所述玻璃组合物制备铝硅酸盐玻璃的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、MgO、SnO2和高配位金属氧化物添加剂摩尔比换算成重量比，取上述成分对应的重量进行室温混合均匀；
步骤2：将混合好的原料均分三份依次加入铂金坩埚中，第一阶段加热至1000℃，加热过程中坩埚升温速率为7℃/min，温度恒定后保温1h；第二阶段温度加热至1350℃、时间为1.5h，前两个阶段使原料得到充分熔化；第三阶段温度加热至1450℃、时间为2h，第四阶段的温度加热为1550℃、时间为36h。
步骤3：澄清后将玻璃液浇注至球磨铸铁材质的模具中；
步骤4：脱模后进行退火，退火包括三个阶段：第一阶段的温度为600℃、保温时间为1.5h，第二阶段的温度为300℃、退火速率为6℃/h，第三阶段的温度为100℃、退火速率为15℃/h；100℃后断电至室温，最终获得高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃。
按照表1～2氧化物的比例分别称取原料混合配成铝硅酸盐玻璃配合料试样，实施例1到实施例14为不同组分原料的不同添加量所制备的高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，其每个实施例的制备环境相同，按照上述实施例1相同的制备方法在马弗炉中进行熔制，直至退火后形成应力均匀的高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃。
实施例15
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，按摩尔百分比计，包括：55.0％的SiO2、7％的Al2O3、5％的B2O3、13％的Na2O、10％的K2O、10％的MgO、0.5％的P2O5、1％的SnO2和1.5％的La2O3；
所述玻璃组合物制备铝硅酸盐玻璃的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、MgO、SnO2和高配位金属氧化物添加剂摩尔比换算成重量比，取上述成分对应的重量进行室温混合均匀；
步骤2：将混合好的原料均分三份依次加入铂金坩埚中，第一阶段加热至1000℃，加热过程中坩埚升温速率为7℃/min，温度恒定后保温1h；第二阶段温度加热至1350℃、时间为1.5h，前两个阶段使原料得到充分熔化；第三阶段温度加热至1450℃、时间为2h，第四阶段的温度加热为1550℃、时间为36h。
步骤3：澄清后将玻璃液浇注至球磨铸铁材质的模具中；
步骤4：脱模后进行退火，退火包括三个阶段：第一阶段的温度为600℃、保温时间为1.5h，第二阶段的温度为300℃、退火速率为6℃/h，第三阶段的温度为100℃、退火速率为15℃/h；100℃后断电至室温，最终获得高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃。
实施例16，
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，按摩尔百分比计，包括70％的SiO2、15％的Al2O3、0％的B2O3、12％的Na2O、0％的K2O、0％的MgO、2％的P2O5、0.1％的SnO2和0.9％的La2O3
所述玻璃组合物制备铝硅酸盐玻璃的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、MgO、SnO2和高配位金属氧化物添加剂摩尔比换算成重量比，取上述成分对应的重量进行室温混合均匀；
步骤2：将混合好的原料均分三份依次加入铂金坩埚中，第一阶段加热至1280℃，加热过程中坩埚升温速率为7℃/min，温度恒定后保温1h；第二阶段温度加热至1400℃、时间为2h，前两个阶段使原料得到充分熔化；第三阶段温度加热至1520℃、时间为2.1h，第四阶段的温度加热为1580℃、时间为3.5h。
步骤3：澄清后将玻璃液浇注至球磨铸铁材质的模具中；
步骤4：脱模后进行退火，退火包括三个阶段：第一阶段的温度为630℃、保温时间为2h，第二阶段的温度为340℃、退火速率为6℃/h，第三阶段的温度为240℃、退火速率为15℃/h；100℃后断电至室温，最终获得高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃。
实施例17，
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，按摩尔百分比计，包括58.5％的SiO2、12％的Al2O3、2.5％的B2O3、15％的Na2O、5％的K2O、5％的MgO、1.2％的P2O5、0.5％的SnO2和0.3％的La2O3
所述玻璃组合物制备铝硅酸盐玻璃的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、MgO、SnO2和高配位金属氧化物添加剂摩尔比换算成重量比，取上述成分对应的重量进行室温混合均匀；
步骤2：将混合好的原料均分三份依次加入铂金坩埚中，第一阶段加热至1350℃，加热过程中坩埚升温速率为7℃/min，温度恒定后保温1h；第二阶段温度加热至1450℃、时间为2.5h，前两个阶段使原料得到充分熔化；第三阶段温度加热至1550℃、时间为3h，第四阶段的温度加热为1680℃、时间为6h。
步骤3：澄清后将玻璃液浇注至球磨铸铁材质的模具中；
步骤4：脱模后进行退火，退火包括三个阶段：第一阶段的温度为650℃、保温时间为3h，第二阶段的温度为450℃、退火速率为6℃/h，第三阶段的温度为450℃、退火速率为15℃/h；100℃后断电至室温，最终获得高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃。
实施例18，
一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，按摩尔百分比计，包括66.5％的SiO2、10％的Al2O3、1.5％的B2O3、8.5％的Na2O、5.5％的K2O、6.5％的MgO、1.8％的P2O5、0.2％的SnO2和0.5％的La2O3
所述玻璃组合物制备铝硅酸盐玻璃的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、MgO、SnO2和高配位金属氧化物添加剂摩尔比换算成重量比，取上述成分对应的重量进行室温混合均匀；
步骤2：将混合好的原料均分三份依次加入铂金坩埚中，第一阶段加热至1280℃，加热过程中坩埚升温速率为7℃/min，温度恒定后保温1h；第二阶段温度加热至1400℃、时间为2h，前两个阶段使原料得到充分熔化；第三阶段温度加热至1520℃、时间为2.1h，第四阶段的温度加热为1580℃、时间为3.5h。
步骤3：澄清后将玻璃液浇注至球磨铸铁材质的模具中；
步骤4：脱模后进行退火，退火包括三个阶段：第一阶段的温度为630℃、保温时间为2h，第二阶段的温度为380℃、退火速率为6℃/h，第三阶段的温度为380℃、退火速率为15℃/h；100℃后断电至室温，最终获得高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃。
表1本发明的实施例1至8玻璃试样的基本性能列表
实施例 1 2 3 4 5 6 7
SiO<sub>2</sub>(mol％) 67.95 68.15 68.85 69.26 69.52 69.79 69.79
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(mol％) 11.01 10.88 10.78 11.35 11.38 11.74 11.74
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(mol％) 0.5 0.5 0.5 1 1 1.05 1.05
Na<sub>2</sub>O(mol％) 10.75 10.35 10.25 9.86 9.58 10.52 10.52
K<sub>2</sub>O(mol％) 2.43 2.43 2.43 2.43 2.43 1.43 1.43
MgO(mol％) 6.75 6.26 6.06 5.64 5.73 5.59 5.59
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>(mol％) 0.5 1 0.5 0.5 0.5 1 1
SnO<sub>2</sub>(mol％) 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(mol％) 0 0.32 0.52 0.85 0 0.45 0.32
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(mol％) 0 0 0 0 0.75 0.32 0.45
合计 100 100 100 100 100 100 100
R<sub>2</sub>O+RO 19.93 19.04 18.74 17.93 17.74 17.54 17.54
(R<sub>2</sub>O+RO)/(Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) 1.732 1.673 1.661 1.452 1.433 1.371 1.371
密度(g/cm<sup>3</sup>) 2.245 2.337 2.358 2.384 2.368 2.415 2.395
退火点(℃) 633 630 621 614 648 654 612
应变点(℃) 601 595 574 565 593 587 554
软化点(℃) 919 908 889 862 878 864 875
液相线温度(℃) 989 976 960 失透 970 985 950
成型温度(35kP) 1201 1189 1185 1178 1180 1193 1190
弹性模量(GPa) 66.48 67 70 76 72 78 75
断裂韧性(Mpa·m<sup>0.5</sup>) 0.698 0.825 0.831 0.813 0.855 0.872 0.86
维氏硬度(Kgf/mm<sup>2</sup>) 512 575 601 621 609 673 648
以下实施例均采用本发明前面阐述的制备方法进行制备，其中，退火工艺需根据配方不同，调整退火温度的设定。
按照表1～2氧化物的比例分别称取原料，混合配成铝硅酸盐玻璃配合料试样，按照上述制备方法在马弗炉中进行熔制，直至退火后形成应力均匀的玻璃样块。根据阿基米德排水法，采用分析天平(精度0.0001g)对该铝硅酸盐玻璃样品的致密度进行测试，每组测试样本数量≥3；利用纤维伸长来测定玻璃的退火点、应变点和软化点；利用梯温炉和偏光显微镜对样品液相线温度进行测量；利用MK-6A弹性模量测定仪对样品弹性模量进行测试；维氏硬度检测是将维氏压头用试验力压入玻璃表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量玻璃表面压痕对角线长度，通过公式维氏硬度HV＝常数*试验力/压痕面积，得出测量试样的维氏硬度值；断裂韧性则采用压痕法进行预制裂纹，再通过对角线裂纹长度以及载荷和弹性模量计算得出。
表2本发明的实施例8至14玻璃试样的基本性能列表
实施例 8 9 10 11 12 13 14
SiO<sub>2</sub>(mol％) 67.65 68.15 68.85 67.26 67.51 66.39 66.39
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(mol％) 11.75 10.45 10.74 11.45 11.38 12.14 12.14
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(mol％) 0.5 0.5 0.5 1 1 1.05 1.05
Na<sub>2</sub>O(mol％) 10.75 10.35 10.25 10.86 10.78 11.54 11.38
K<sub>2</sub>O(mol％) 1.43 2.43 2.43 2.43 2.43 1.43 1.43
MgO(mol％) 67.65 68.15 68.85 67.26 67.51 66.39 66.39
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>(mol％) 0.5 1 0.5 0.5 0.5 1 1
SnO<sub>2</sub>(mol％) 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11
CeO<sub>2</sub>(mol％) 0.56 0.75 0 0 0 0 0.23
TiO<sub>2</sub>(mol％) 0 0 0.56 0.75 0 0 0.16
ZrO<sub>2</sub>(mol％) 0 0 0 0 0.56 0.75 0.52
合计 100 100 100 100 100.01 100 100
R<sub>2</sub>O+RO 18.93 19.04 18.74 18.93 18.94 18.56 18.4
(R<sub>2</sub>O+RO)/(Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) 1.545 1.739 1.667 1.52 1.53 1.407 1.395
密度(g/cm<sup>3</sup>) 2.427 2.475 2.325 2.347 2.359 2.371 2.41
退火点(℃) 617 612 630 625 624 634 610
应变点(℃) 578 569 574 565 605 610 554
软化点(℃) 885 860 900 892 897 874 856
液相线温度(℃) 1023 963 906 953 970 826 843
成型温度(35kP) 1201 1189 1185 1178 1180 1193 1190
弹性模量(GPa) 78 74 69 72 72 75 82
断裂韧性(Mpa·m<sup>0.5</sup>) 0.971 0.842 0.853 0.858 0.864 0.872 1.024
维氏硬度(Kgf/mm<sup>2</sup>) 675 655 601 621 609 654 704
从以上数据可以看到，高配位金属氧化物添加剂后，其弹性模量、断裂韧性和硬度均有不同程度的提高，若高配位金属氧化物添加剂含量添加过高，会出现玻璃失透现象，同时与碱金属相互作用反而会使得硬度偏大、韧性降低；四价氧化物Ce、Ti、Zr对强度影响相比三价金属氧化物La和Y稍强，另外，当两种或两种以上金属氧化物互掺时，强度反而可达到最优值，这就意味着玻璃内部桥氧键数量达到最大，从而使得玻璃的机械性能达到最佳。
钇离子本身半径(0.09nm)远大于硅离子半径(0.04pm)，若掺杂Y2O3含量过多时，大尺寸离子势必会在一定程度上导致玻璃内部结构发生畸变，在热能的推动下，畸变的网络结构更容易振动，会进一步降低玻璃的化学稳定性，因此，Y2O3的摩尔百分比含量在0.75较佳。
上述结果进一步说明了掺杂适量的CeO2可以使玻璃的桥氧数量增多、结构致密、力学性能显著提高，但过多的掺杂量又会使得玻璃结构中非桥氧数目的增加，导致玻璃机械性能降低。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，以摩尔百分比计，组分原料包括：55％-70％的SiO2、7％-15％的Al2O3、0％-5％的B2O3、6％-15％的Na2O、0-10％的K2O、0-10％的MgO、0.5～2％的P2O5、0.1％～1％的SnO和0.3％-1.5％的高配位金属氧化物添加剂。
2.根据权利要求1所述的一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述Al2O3和B2O3与R2O和RO的摩尔百分比满足以下关系：
1<(R2O+RO)/(Al2O3+B2O3)<3；
其中，R为金属元素；R2O+RO代表原料组分中碱金属和碱土金属氧化物的摩尔添加量总和。
3.根据权利要求1所述的一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述Na2O的摩尔百分比为6％-14％，K2O的摩尔百分比为0-5％，MgO的摩尔百分比为4％-8％。
4.根据权利要求1所述的一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述高配位金属氧化物添加剂为La2O3，Y2O3，ZrO2、TiO2或CeO2中的一种；所述高配位金属氧化物添加剂的摩尔百分比为0.5％-1％。
5.根据权利要求1所述的一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃的断裂韧性为0.825MPa·m1/2至1.024MPa·m1/2。
6.根据权利要求1所述的一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，所述高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃的弹性模量为67GPa至82GPa。
7.根据权利要求1所述的一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，具体的制备过程如下：
将SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、MgO、P2O5、SnO2和高配位金属氧化物添加剂混合均匀，再进行熔化、均化、成型、澄清以及退火处理后，得到高强高模、抗断裂的玻璃。
8.根据权利要求7所述的一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述熔化、均化、澄清处理包括四个阶段：第一阶段加热至1000～1350℃，加热过程中的升温速率为7℃/min，待温度恒定后保温1h；第二阶段的加热温度为1350-1450℃、温度恒定后保温时间为1.5-2.5h；第三阶段的加热温度为1450-1550℃、温度恒定后保温时间为2-3h；第四阶段的加热温度为1550-1680℃、温度恒定后保温时间为3-6h。
9.根据权利要求7所述的一种高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述退火包括三个阶段：第一阶段的加热温度为600-650℃、保温时间为1.5-3h，第二阶段的加热温度为300-450℃、退火速率为6℃/h；第三阶段的加热温度为100-450℃、退火速率为15℃/h。
10.如权利要求1所述的高强高模、抗断裂的铝硅酸盐玻璃在移动显示器件/车载和航空航天固定器件防护中的应用。
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