JP2015523310A - 強化ガラス物品と製造方法 - Google Patents
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Abstract
それを超えるとガラスが脆性挙動を示す閾値より低い中央張力を有する強化ガラス物品。中央張力はガラスの厚さによって非線形に変化する。ガラス物品は、例えば携帯電話、ミュージックプレーヤーなどの携帯型または移動式電子デバイス、ラップトップコンピュータ等の情報端末(IT)デバイスのためのカバープレートまたはウインドウとして使用されてもよい。
Description
本出願は、2012年6月8日に出願された米国仮特許出願第61/657,279号明細書(その内容をその全体において参照によって本願に組み込む)に対する優先権を主張する。
本開示は、強化ガラス物品と製造方法に関する。
化学的に強化されたガラスは、例えば携帯電話、メディアプレーヤーなどのハンドヘルド形デバイス、および透明性、高い強度および耐磨耗性を必要とするその他のデバイス、ならびに他の用途に使用することが認識されている。しかしながら、このようなガラスは脆性挙動をとりやすい可能性がある−すなわち、ガラスが、十分な貫通力によって衝撃を与えられる時に多数の小片に激しく砕ける。
それを超えるとガラスが脆性挙動を示す閾値より低い中央張力を示す強化ガラスが提供され、本明細書において記載される。脆性挙動の閾値中央張力は、ガラスの厚さによって非線形に変化する。このガラスは例えば携帯電話、ミュージックプレーヤーなどの携帯型または移動式電子通信および娯楽機器、および例えばラップトップコンピュータ等の情報端末(IT)デバイスのためのカバープレートまたはウインドウとして使用されてもよい。
したがって、本開示の一態様は、物品の表面から物品内の層の深さDOLまで延在し、圧縮応力CS下にある外側領域と、中央張力CT下にある内側領域とを含む、厚さt<0.5mmを有する強化ガラス物品を提供することであり、そこで−15.7(MPa/mm)・t(mm)+52.5(MPa)<CT(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm)であり、CTはメガパスカル(MPa)で表され、tはミリメートル(mm)単位で表される。
本開示の別の態様は、物品の表面から物品内の層の深さDOLまで延在し、圧縮応力CS下にある外側領域と、メガパスカル(MPa)単位で表される、中央張力CT下の内側領域とを含む、厚さt<0.5mmを有する強化ガラス物品を提供することであり、そこでCT(MPa)>−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)である。強化ガラス物品は強化ガラス物品を破断するために十分である点衝撃を受ける時に実質的に非脆性である。
本開示のさらに別の態様は、物品の表面から物品内の少なくとも30μmの層の深さDOLまで延在し、少なくとも600MPaの圧縮応力CS下にある外側領域と、中央張力CT下にある内側領域とを含む、厚さt<0.5mmを有する強化ガラス物品を提供することであり、そこで−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)≦CT(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm)である。強化ガラス物品は、強化ガラス物品を破断するために十分な点衝撃を受ける時に実質的に非脆性であり、3未満の脆性指数を有する。
これらおよびその他の態様、利点、および顕著な特徴が以下の詳細な説明、添付した図面、および添付した請求の範囲から明らかであろう。
以下の説明において、同じ参照符号は、図面に示されるいくつかの図の全体にわたって同じまたは相当する部分を示す。また、特に断りがない限り、「上部」、「下部」、「外部の」、「内部の」等の用語は便宜的な語であり、制限的な用語として解釈されるべきでないことは理解されたい。さらに、群が、要素の群およびそれらの組み合わせの少なくとも1つを含むと説明されるときはいつでも、群は、個々にまたは互いに組合せてどちらかで、任意の数の列挙されたそれらの要素を含む、本質的にからなる、またはからなってもよいということは理解されたい。同様に、群が、要素の群またはそれらの組み合わせの少なくとも1つからなると説明されるときはいつでも、群が、個々にまたは互いに組合せてどちらかで、任意の数の列挙されたそれらの要素からなってもよいということは理解されたい。特に断りがない限り、値の範囲は、列挙されるとき、範囲の上限と下限の両方ならびにその間の任意の部分範囲を包含する。
図面全般を参照して、図解は、特定の実施形態を説明するためのものであり、本開示または添付した請求の範囲をそれに制限することを意図しないことは理解されるであろう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、図面の特定の特徴および特定の図は、縮尺において極端に強調されて示されるかまたは明確かつ簡潔にする目的で、略図で示される場合がある。
脆性挙動(ここで「脆性」とも称される)は、ガラス物品の極端な破砕挙動を指す。脆性挙動は、物品内の過度の内部または中央の張力CTの発生の結果であり、破損時に物品の激しいまたは力強い破砕を生じる。熱的に調節され、積層され、または化学的に強化された(例えばイオン交換により強化された)ガラス物品において、ガラス物品(例えばプレートまたはシート)の表面または外側領域における圧縮応力(CS)とガラスプレートの中央における引張応力とのバランスが、物品からのガラス小片および/または粒子の飛散または「トシング」(tossing)と共に複数の亀裂の分岐を生じるのに十分なエネルギーを提供する時に、脆性挙動が生じ得る。このような飛散が起こる速度は、中央張力CTとして蓄えられたガラス物品内の過度のエネルギーの結果である。
ガラス物品の脆性は中央張力CTおよび圧縮応力CSの関数である。特に、ガラス物品内の中央張力CTは、圧縮応力CSから計算することができる。圧縮応力CSは、表面近く(すなわち100μm内)で測定され、最大CS値および圧縮応力層の測定深さ(「層の深さ」または「DOL」とも称される)を与える。圧縮応力および層の深さは、当技術分野に公知のそれらの手段を使用して測定される。このような手段には、株式会社ルケオ(日本国、東京)によって製造された、FSM−6000などの市販の計測器を使用する表面応力の測定(FSM)等があるがそれらに限定されず、圧縮応力および層の深さを測定する方法は、「化学的に強化された平板ガラスのための標準規格(Standard Specification for Chemically Strengthened Flat Glass)」と題されたASTM 1422C−99および「アニール処理され、熱強化された、完全焼入れ平板ガラスのエッジおよび表面応力の非破壊光弾性測定のための標準試験法(“Standard Test Method for Non−Destructive Photoelastic Measurement of Edge and Surface Stresses in Annealed, Heat−Strengthened, and Fully−Tempered Flat Glass”)」のASTM 1279.19779(それらの内容をそれらの全体において参照によって本願明細書に組み込む)に記載されている。表面応力の測定は、応力光係数(SOC)の正確な測定に依拠し、それはガラスの複屈折に関連している。そして次にSOCは、繊維および4点曲げ方法(両方とも、「ガラス繊維応力−光係数の測定のための標準試験法(“Standard Test Method for Measurement of Glass Stress−Optical Coefficient”)」と題されたASTM 標準C770−98(2008)に記載されている)(それらの内容をそれらの全体において参照によって本願明細書に組み込む)、およびバルクシリンダー方法などの当技術分野に公知のそれらの方法によって測定される。CSと中央張力CTとの間の関係は、式:
CT=(CS・DOL)/(t−2DOL) (1)
により与えられ、ここで、tはガラス物品の厚さである。特に断りがない限り、中央張力CTおよび圧縮応力CSは本明細書においてメガパスカル(MPa)で示され、厚さtおよび層の深さDOLはミリメートル(mm)で示される。ガラス物品に設計または提供できる圧縮層の深さDOLおよび圧縮応力CSの最大値は、そのような脆性挙動により制限される。したがって、脆性挙動は、様々なガラス物品の設計において考慮されるべき一つの問題である。
CT=(CS・DOL)/(t−2DOL) (1)
により与えられ、ここで、tはガラス物品の厚さである。特に断りがない限り、中央張力CTおよび圧縮応力CSは本明細書においてメガパスカル(MPa)で示され、厚さtおよび層の深さDOLはミリメートル(mm)で示される。ガラス物品に設計または提供できる圧縮層の深さDOLおよび圧縮応力CSの最大値は、そのような脆性挙動により制限される。したがって、脆性挙動は、様々なガラス物品の設計において考慮されるべき一つの問題である。
脆性挙動は、以下の少なくとも一つを特徴としている:強化ガラス物品(例えばプレートまたはシート)の複数小片(例えば≦1mm)への破壊、ガラス物品の単位面積毎に形成される破片の数、ガラス物品中の初期亀裂からの複数の亀裂の分岐、およびその元の位置から特定距離(例えば約5cm、または約2インチ)の少なくとも1つの破片の激しい飛散、および上記の破壊(サイズおよび密度)、亀裂および飛散作用のいずれかの組合せ。本明細書中で用いられるとき、「脆性挙動」および「脆性」という用語は、コーティング、接着層等の任意の外側拘束物を有しない強化ガラス物品の激しいまたは力強い破砕の形態を指す。コーティング、接着層等をここに記載される強化ガラス物品と共に使用してもよいが、このような外側拘束物は、ガラス物品の脆性または脆性挙動を決定する際に使用されない。
図1aおよび1bは、鋭い圧子ツール、例えば、シリコンカーバイド先端を有する圧子を用いた点衝突による強化ガラス物品の脆性挙動および非脆性/実質的に非脆性の挙動の例を示す。脆性挙動を決定するために使用される点衝突試験は、上述のような圧子ツールを含む−それは、強化ガラス物品内に存在する内蔵エネルギーを放出するのにちょうど十分な力でガラス物品の表面に与えられ、ガラス表面上に落とされるか、または重みをかけられてガラス物品の破砕をもたらすために必要とされる力を提供する。すなわち、点衝突力は、強化ガラスシートの表面に少なくとも1つの新しい亀裂を生じ、圧縮応力CS領域(すなわち層の深さ)を通って中央張力CT下の領域中まで亀裂を広げるのに十分である。このような亀裂を生じるために十分である点衝撃力は、圧子ツールの重量または圧子ツールガラス物品の表面上に落とされる距離のどちらかを調節することによって調節されてもよい。強化ガラスシート中に亀裂を生じるまたは開始させるのに必要とされる衝突エネルギーは、物品の圧縮応力CSおよび層の深さDOLに依存し、したがって、シートが強化された条件(すなわち、イオン交換によりガラスを強化するために使用された条件)に依存する。あるいは、イオン交換された各ガラスプレートは、引張応力下であるプレートの内側領域中まで亀裂を伝播するのに十分に鋭いダート圧子(dart indenter)に接触された。ガラスプレートに適用される力は、亀裂が内側領域の始まりに達するのにちょうど十分であり、したがって、亀裂を生じるエネルギーを、外側表面上のダート衝突の力からではなく内側領域中の引張応力から生じさせる。破片の飛散を正確に測定しガラス物品と物品上の衝撃点との両方を再現可能に位置決めするため、このような再現性を確実にするために各々の試料をグリッド上に位置決め/配置してもよい。図1cは、このようなグリッドの中央に位置決めされた(衝撃後の)試料を示す写真である。配置線aは、衝撃前にガラス試料を中心cに適切に配置することおよび試料から試料までの衝撃点のばらつきのない位置を確実にする。中心cから発する同心円bを使用して、各々のガラス破片の飛散距離を測定する。
図1aおよび1bに示されるガラスシートは、50mm×50mmのイオン交換されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスプレートであり、各試料は0.5mmの厚さを有する。試料の各々は、以下のいずれかの組成を有した。66.7モル%のSiO2、10.5モル%のAl2O3、0.64モル%のB2O3、13.8モル%のNa2O、2.06モル%のK2O、5.50モル%のMgO、0.46モル%のCaO、0.01モル%のZrO2、0.34モル%のAs2O3、および0.007モル%のFe2O3、または66.4モル%のSiO2、10.3モル%のAl2O3、0.60モル%のB2O3、14.0モル%のNa2O、2.10モル%のK2O、5.76モル%のMgO、0.58モル%のCaO、0.01モル%のZrO2、0.21モル%のSnO2、および0.007モル%のFe2O3。図1aおよび1bに示されるガラスプレートの各々はイオン交換された。
図1aを参照すると、ガラスプレートa(図1a)は、脆性であると分類できる。特に、ガラスプレートaは飛散される複数の小片に破砕され、初期亀裂から大規模の亀裂の分岐を示し、小片を生じた。破片の約50%は、1mm未満のサイズであり、約8から10の亀裂が初期亀裂から分岐したと推定される。図1aに示されるように、ガラス片はまた、元のガラスプレートaから約5cm飛散された。上記の3つの基準(すなわち、複数の亀裂の分岐、飛散および極端な破砕)のいずれかを示すガラス物品は、脆性であると分類される。例えば、ガラスが過度の分岐のみを示すが上記のような飛散または極端な破砕を示さない場合、ガラスは依然として脆性を特徴としている。
ガラスプレートb、c(図1b)およびd(図1a)は非脆性または実質的に非脆性であると分類される。これらの試料の各々において、ガラスシートは、割れて少数の大きい断片になる。例えば、ガラスプレートb(図1b)は、割れて亀裂の分岐のない2つの大きい断片になる。ガラスプレートc(図1b)は、割れて初期亀裂から分岐する2つの亀裂を有する4つの断片になる。そしてガラスプレートd(図1a)は、割れて初期亀裂から分岐する2つの亀裂を有する4つの断片になる。飛散された破片がないこと(すなわち、それらの元の位置から2インチ(5.08センチメートル)超に強く飛散されたガラス片がない)、≦1mmのサイズの目に見える破片がないこと、および観察された亀裂の分岐が最低限の量であることに基づいて、試料b、cおよびdは、非脆性または実質的に非脆性であると分類される。
上記に基づいて、別の物体との衝突時のガラス、ガラスセラミック、および/またはセラミック物品の脆性または非脆性挙動の程度を定量化するために、脆性指数(表1)を作成することができる。指数番号は、非脆性挙動について1から高い脆性挙動について5までの範囲で、脆性または非脆性の異なるレベルを記述するために割り当てられた。指数を使用して、脆性は以下の多くのパラメータを用いて特性決定され得る:1)1mm未満の直径(すなわち最大寸法)を有する破片の母集団のパーセンテージ(表1における「破片サイズ」)、2)試料の単位面積毎(この場合cm2)に形成される破片の数(表1における「破片密度」)、3)衝突時に形成された初期亀裂から分岐する亀裂の数(表1における「亀裂の分岐」)、および4)衝突時にそれらの元の位置から約5cm(または約2インチ)超に飛散される破片の母集団のパーセンテージ(表1における「飛散」)。
特定の指数値と関連する基準の少なくとも一つを物品が満たす場合、脆性指数がガラス物品に割り当てられる。あるいは、ガラス物品が脆性の2つの特定のレベルの間の基準を満たす場合、物品は脆性指数範囲(例えば2〜3の脆性指数)を割り当てられてもよい。ガラス物品は、表1に記載される個々の基準から決定される、脆性指数の最高値を割り当てられてもよい。多くの場合、表1に記載される、破片密度またはそれらの元の位置から5cm超に飛散された破片のパーセンテージなどの、それぞれの基準の値を確認することは不可能である。したがって、異なる基準は、脆性挙動の個別の代わりの尺度であると考えられ、一つの基準レベル内に含まれるガラス物品は、対応する脆性の程度および脆性指数が割り当てられる。表1に記載される4つの基準のいずれかに基づく脆性指数が3以上である場合、ガラス物品は脆性であると分類される。
上記の脆性指数を図1aおよび1bに示される試料に当てはめると、ガラスプレートaは複数の飛散小片に破砕し、初期亀裂から分岐し小片を生じる大規模の亀裂を示す。破片の約50%が、1mm未満のサイズであり、約8から10の亀裂が初期亀裂から分岐したと推定される。表1に記載される基準に基づいて、ガラスプレートaは、約4〜5の脆性指数を有し、中−高程度の脆性を有すると分類される。
3未満の脆性指数(低脆性)を有するガラス物品は、非脆性または実質的に非脆性であると考えられてもよい。ガラスプレートb、cおよびdはそれぞれ、1mm未満の直径を有する破片、衝突時に形成される初期亀裂からの複数の分岐、およびそれらの元の位置から5cm超に飛散された破片を有しない。ガラスプレートb、cおよびdは、非脆性であり、したがって1の脆性指数を有する(脆性ではない)。
上に考察したように、図1aおよび1bにおいて、脆性挙動を示したガラスプレートaと、非脆性挙動を示したガラスプレートb、cおよびdとの間で観察された挙動の違いは、試験された試料間の中央張力CTの違いによる可能性がある。このような脆性挙動の可能性は、携帯電話、娯楽機器等の携帯型または移動式電子デバイスのための、並びにラップトップコンピュータなどの情報端末(IT)デバイスのディスプレイのためのカバープレートまたはウインドウなど、様々のガラス製品の設計における一つの問題点である。さらに、ガラス物品中に設計されるかまたは提供され得る圧縮層の深さDOLおよび圧縮応力CSの最大値は、このような脆性挙動により制限される。
したがって、脆性を避け、非脆性または実質的に非脆性であるために(すなわち、ガラスプレートまたはガラス物品が脆性挙動を示す5%以下の確率)、ガラス物品は、圧縮応力CSおよび層の深さDOLの両方を考慮に入れながら、ガラス物品について臨界または閾値中央張力CTのまたはそれより低い中央応力CTを有するように設計されて、別の物体との衝突時の脆性を避けるべきである。約2mm以上の厚さを有するガラス物品の脆性挙動の経験的観察に基づいて、許容できない脆性挙動を生じる中央張力の「臨界」または「閾値」量とガラス厚さtとの間の関係は、これまで線形であると考えられていた。許容できない脆性挙動の始まり(本明細書において「臨界」または「閾値」中央張力値とも称される)が生じると考えられる閾値中央張力CT(本明細書において「閾値CT」とも称される)の例が、図2に厚さの関数としてプロットされる(線2)。
図2に示される線2によって表されるデータは、以下のいずれかの組成を有し、イオン交換によって強化された、一連の化学的に強化されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス試料について実験的に観察された挙動に基づいている。すなわち、66.7モル%のSiO2、10.5モル%のAl2O3、0.64モル%のB2O3、13.8モル%のNa2O、2.06モル%のK2O、5.50モル%のMgO、0.46モル%のCaO、0.01モル%のZrO2、0.34モル%のAs2O3、および0.007モル%のFe2O3、または66.4モル%のSiO2、10.3モル%のAl2O3、0.60モル%のB2O3、14.0モル%のNa2O、2.10モル%のK2O、5.76モル%のMgO、0.58モル%のCaO、0.01モル%のZrO2、0.21モル%のSnO2、および0.007モル%のFe2O3。試料の各々は少なくとも2mmの厚さを有した。図2の線2によって表されるデータは、閾値中央張力CT(式(1)およびCS、DOL、およびtから決定される)とガラスの厚さtとの間の関係が線形であり(以下に「線形閾値中央張力CT2」または「CT2と称される)、式:
CT2(MPa)=−15.7(MPa/mm)・t(mm)+52.5(MPa) (2)
によって記述されることを示す。
CT2(MPa)=−15.7(MPa/mm)・t(mm)+52.5(MPa) (2)
によって記述されることを示す。
式(2)は、それぞれ少なくとも2mmの厚さを有する、化学的に強化されたガラス試料について得られた実験的圧縮応力および層の深さのデータから導き出される。より小さい厚さに挿入されると、式(2)は、ここに記載される強化ガラスについてCTの下限値を提供する。厚さt≧2mmである試料について得られ式(2)で示されるデータから導き出される中央張力、圧縮応力、および層の深さの間の関係により、厚さtに対する閾値CT2の線形挙動は、生じる場合がある圧縮応力の量および層の深さを制限する。したがって、特定の用途、特にガラスのより薄いシートが使用される用途のための設計柔軟性は、そのような線形挙動に基づいて制限されると予想される。例えば、ガラスシートは、式(2)により予測され図2の線2によって示される閾値CT2値より低い中央張力を達成するCSおよびDOL値を達成するよう強化される。
ここに記載されるように、強化ガラス物品、特に2mm未満の厚さtを有するガラス物品において脆性挙動を生じる中央張力CTの臨界または閾値量の間の関係は、非線形であることが分かった。したがって、ここに記載される基準によって定められるように、実質的に非脆性の(すなわち脆性のない)強化シートまたはプレートなどの強化ガラス物品が提供され、図3に図解的に示される。強化ガラス物品300は、厚さt、第1の表面310から層の深さd1まで強化ガラス物品300のバルク中に延在する第1の圧縮層320を有する。図3に示される実施形態において、ガラス物品300はまた、第2の表面312から第2の層の深さd2まで延在する第2の圧縮層322を有する。強化ガラス物品300はまた、d1からd2まで延在する中央領域330を有する。中央領域330は、張力または中央張力(CT)下であり、それは、層320および322の圧縮応力とバランスをとるかまたは相殺する。第1および第2の圧縮層320、322の深さd1、d2は、圧縮応力が第1および第2の圧縮層320、322の深さd1、d2を貫通する傷が生じる可能性を最小に抑えたまま、第1および第2の表面310、312に対する鋭い衝撃によって生じた傷の拡大から強化ガラス物品300を保護する。圧縮応力層320、322の深さDOLは、表面から、測定された圧縮応力が引張応力領域(内側領域330)との境界でゼロ応力に低減される点までの深さである。中央張力CTと圧縮応力CSとの間の関係は、前に示された式(1):
CT=(CS・DOL)/(t−2DOL) (1)
により与えられる。
CT=(CS・DOL)/(t−2DOL) (1)
により与えられる。
図2を参照すると、許容できない脆性挙動の始まり(ここで臨界または閾値中央張力とも称される)が実際に起こる閾値中央張力(閾値CT)が、厚さtの関数としてプロットされ、図2で線1により示される。線1は、以下のいずれかの組成を有し、イオン交換された、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスの実験的に観察された挙動に基づいている。すなわち、66.7モル%のSiO2、10.5モル%のAl2O3、0.64モル%のB2O3、13.8モル%のNa2O、2.06モル%のK2O、5.50モル%のMgO、0.46モル%のCaO、0.01モル%のZrO2、0.34モル%のAs2O3、および0.007モル%のFe2O3、または66.4モル%のSiO2、10.3モル%のAl2O3、0.60モル%のB2O3、14.0モル%のNa2O、2.10モル%のK2O、5.76モル%のMgO、0.58モル%のCaO、0.01モル%のZrO2、0.21モル%のSnO2、および0.007モル%のFe2O3。線1により示されるデータは、中央張力CT(以下、「非線形閾値中央張力CT1」または「CT1」と称される)とガラスの厚さtとの間の関係を示し、実質的に非線形であり、式:
CT1(MPa)≦−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa) (3)
により示される。
CT1(MPa)≦−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa) (3)
により示される。
式(3)は、それぞれ約1.4mm未満の厚さを有するイオン交換されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス試料の圧縮応力CSおよび層の深さDOLの実験的測定値から導き出される。式(2)により示されるCTとtとの間の以前に予想された線形関係により定められる線形中央張力CT2よりも大きい非線形閾値中央張力CT1をガラス物品が有することが観察された。したがって、許容できない脆性挙動が最小化されるかまたは存在しない中央張力CT1の予期せぬ範囲は、式:
−15.7(MPa/mm)・t(mm)+52.5(MPa)≦CT1(MPa)≦−38.7(MPa/mm)・ln(t)(MPa)+48.2(MPa) (4)
により表される。
−15.7(MPa/mm)・t(mm)+52.5(MPa)≦CT1(MPa)≦−38.7(MPa/mm)・ln(t)(MPa)+48.2(MPa) (4)
により表される。
類似したまたは同一の組成のより厚い強化ガラス試料についてこれまで観察された挙動を考慮に入れると、図2の線1および式(3)により例示される、許容最大CT1とガラス物品厚さとの間の非線形関係は予想外である。図2の線2により示され式(2)により表されるように、CTと厚さとの間の関係が線形(CT2)である場合、約0.2から2mmまでの範囲の成形品の厚さについてのCT閾値脆性は、式(3)から決定されるよりも小さく、CSおよびDOLの少なくとも1つは、それに相応して制限される。小さい厚さでの圧縮層の深さ(DOL)および圧縮応力CSの最大値もまた低減されなければならない。図2に示される線形挙動により決定されるような、これらの範囲におけるCSおよびDOLのそのような低減は、特定の用途について設計の柔軟性を制限するであろう。
閾値CTの予め予想されていた線形挙動(図2の線2により示されるCT2)は、厚さの関数としての脆性t(図2の線1)についての実際の閾値CT極限(CT1)の間の非線形関係を示唆しない。この予期せぬ結果をさらに説明するために、表2は、ここに記載される、図2の線1から式(3)を使用して計算される実際の非線形閾値中央張力CT1、図2の線2から式(2)を使用して計算される線形閾値中央張力CT2、および選択されたガラス厚さについて式(2)および(3)を使用して計算される閾値CT値の差(CT1−CT2)を記載する。
表2に記載される値から見ることができるように、予想される期待閾値CT2(式(2))と非線形関係により予想される実際の閾値CT1(式(3))との間の差(CT1−CT2)は、厚さtの減少と共に増加する。CTは厚さt、層の深さDOL、および圧縮応力(CS)に関連するので(式(1))、ここに記載される非線形関係により予想される、より大きい閾値CT値(CT1:式(3))は、より大きい範囲のCSおよびDOL値を提供し、これは、非脆性を示す、すなわち3より小さい脆性指数を有する強化ガラスシートを設計および作製するために使用されてもよい。結果として、非脆性強化ガラス物品は、特定の厚さに製造され、以前に可能であると考えられていたよりも大きい閾値中央張力CTを有するように強化され得る。
一実施形態において、強化ガラス物品300は、上述のように、実質的に非脆性であるかまたは脆性挙動を有しない。すなわち、強化ガラス物品300は、本明細書の表1に記載されるように、3未満の脆性指数を有する。強化ガラス300の破砕を引き起こすのに十分な力で衝突時に、1mm以下の直径(すなわち、最大寸法)を有する破片の母集団のパーセンテージn1(表1における「破片サイズ」)は、5%以下である(すなわち、0%≦n1≦5%)。試料の単位面積毎(この場合、cm2)に形成される破片の数n2(表1における「破片密度」)は、3個の破片/cm2以下である。衝突時に形成された初期亀裂から分岐する亀裂の数n3(表1における「亀裂の分岐」)は、5以下である(すなわち、0≦n3≦5)。そして衝突時にそれらの元の位置から約5cm(または約2インチ)超に飛散される破片の母集団のパーセンテージn4(表1における「飛散」)は、2%以下である(すなわち、0%≦n4≦2%)。
図1の線2に示されるデータは、厚さの関数として脆性について閾値CT極限CT1の非線形挙動を示唆しない。表2に記載される値から見ることができるように、式(2)により予想される閾値CTと非線形関係により予想される閾値CT(式3)との間の差は、厚さtの減少と共に増加する。
脆性を避けるために、ガラス物品は、許容できない脆性挙動を生じるとこれまで考えられた非線形中央張力閾値を実際に超える、より小さい厚さにおいて中央張力CTを有するように設計され得る(すなわち、より小さい厚さについて、ガラスが、図2において厚さtの関数としてプロットされる中央張力(線2)を超える中央張力を有する場合がある)ことがさらに発見された。図4を参照すると、許容できない脆性挙動の始まりが0.75mm以下の厚さを有するガラス物品において実際に起こる閾値中央張力が、厚さtの関数としてプロットされ、線3により示される。線3は、以下のいずれかの組成を有するアルカリアルミノケイ酸塩ガラスの実験的に観察された挙動に基づいている。すなわち、1)約60モル%〜約70モル%のSiO2、約6モル%〜約14モル%のAl2O3、0モル%〜約15モル%のB2O3、0モル%〜約15モル%のLi2O、0モル%〜約20モル%のNa2O、0モル%〜約10モル%のK2O、0モル%〜約8モル%のMgO、0モル%〜約10モル%のCaO、0モル%〜約5モル%のZrO2、0モル%〜約1モル%のSnO2、0モル%〜約1モル%のCeO2、約50ppm未満のAs2O3、および約50ppm未満のSb2O3、ここで12モル%≦Li2O+Na2O+K2O≦20モル%および0モル%≦MgO+CaO≦10モル、または2)約61モル%〜約75モル%のSiO2、約7モル%〜約15モル%のAl2O3、0モル%〜約12モル%のB2O3、約9モル%〜約21モル%のNa2O、0モル%〜約4モル%のK2O、0モル%〜約7モル%のMgO、および0モル%〜約3モル%のCaO、または3)少なくとも約50モル%のSiO2および少なくとも約11モル%のNa2O、約7モル%〜約26モル%のAl2O3、0モル%〜約9モル%のB2O3、0モル%〜約2.5モル%のK2O、0モル%〜約8.5モル%のMgO、および0モル%〜約1.5モル%のCaO。
線3によって表されるデータは、中央張力CTとガラスの厚さtとの間の関係が、図2の線1の上にある、少なくとも.75mm未満の厚さについて、(CT1(MPa)≦−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa))であり、式:
CT3(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm) (5)
によって記述されることを示す。
CT3(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm) (5)
によって記述されることを示す。
式(5)は、それぞれ約0.75mm以下の厚さを有するイオン交換されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラス試料の圧縮応力CSおよび層の深さDOLの実験的測定値から導き出される。式(1)により示されるCTとtとの間のこれまで予想された線形関係により定められる線形中央張力CT2よりも大きく、そして0.75mm未満の厚さについて、式(3)により示される非線形中央張力CT1よりも大きい非線形閾値中央張力CT3をガラス物品が有することが観察された。したがって、許容できない脆性挙動が最小化されるかまたは存在しない(ガラスプレートまたはガラス物品が脆性挙動を示す5%以下の確率)中央張力CT3の予期せぬ全範囲は、式:
−15.7(MPa/mm)・t(mm)+52.5(MPa)<CT3(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm) (6)
によって記述される。
−15.7(MPa/mm)・t(mm)+52.5(MPa)<CT3(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm) (6)
によって記述される。
許容できない脆性挙動が最小化されるかまたは存在しない(ガラスプレートまたはガラス物品が脆性挙動を示す5%以下の確率)CT1を超える中央張力CT3の予期せぬ範囲は、式:
−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)≦CT3(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm) (7)
によって記述される。
−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)≦CT3(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm) (7)
によって記述される。
より厚い強化ガラス試料についてこれまで観察された挙動を考慮に入れると、図4の線3および式(5)により例示される、許容最大CT3とガラス物品厚さとの間の関係は予想外である。この予想外の結果をさらに説明するために、表3は、厚さがわずか0.3mmの試料で測定された実際の非線形閾値中央張力CT3を含む。
表3は、0.75mm以下の厚さtの減少と共に閾値CT1(式(3))と閾値CT3(式(5))との間の違いを示す。CTは厚さt、層の深さDOL、および圧縮応力CSに関連するので(式(1))、ここに記載される非線形関係により予想される、より大きい閾値CT値(CT3:式(5))は、より大きい範囲のCSおよびDOL値を提供し、これは、式(3)において予想されるように3より小さい脆性指数を有する強化ガラスシートを設計および作製するために使用されてもよい(すなわち、ガラスプレートまたはガラス物品が脆性挙動を示す5%以下の確率を有する非脆性または実質的に非脆性挙動)。結果として、非脆性強化ガラス物品は、特定の厚さに製造され、以前に可能であると考えられていたよりも大きい閾値中央張力CTを有するように強化され得る。
一実施形態において、式(5)に従って製造された強化ガラス物品(例えば、強化ガラス物品300)は、上述のように、非脆性、実質的に非脆性である、または脆性挙動を有しない。すなわち、強化ガラス物品300は、本明細書の表1に記載されるように、3未満の脆性指数を有する。強化ガラス300の破砕を引き起こすのに十分な力で衝突時に、1mm以下の直径(すなわち、最大寸法)を有する破片の母集団のパーセンテージn1(表1における「破片サイズ」)は、5%以下である(すなわち、0%≦n1≦5%)。試料の単位面積毎(この場合、cm2)に形成される破片の数n2(表1における「破片密度」)は、3個の破片/cm2以下である。衝突時に形成された初期亀裂から分岐する亀裂の数n3(表1における「亀裂の分岐」)は、5以下である(すなわち、0≦n3≦5)。そして衝突時にそれらの元の位置から約5cm(または約2インチ)超に飛散される破片の母集団のパーセンテージn4(表1における「飛散」)は、2%以下である(すなわち、0%≦n4≦2%)。
本明細書に記載された強化ガラス物品は、多数の組成物を含んでもよい。一実施形態において、強化ガラス物品はアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含む。特定の一実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは以下の組成を有する:66.7モル%のSiO2、10.5モル%のAl2O3、0.64モル%のB2O3、13.8モル%のNa2O、2.06モル%のK2O、5.50モル%のMgO、0.46モル%のCaO、0.01モル%のZrO2、0.34モル%のAs2O3、および0.007モル%のFe2O3。別の特定の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは以下の組成を有する:66.4モル%のSiO2、10.3モル%のAl2O3、0.60モル%のB2O3、14.0モル%のNa2O、2.10モル%のK2O、5.76モル%のMgO、0.58モル%のCaO、0.01モル%のZrO2、0.21モル%のSnO2、および0.007モル%のFe2O3。
一実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、約64モル%〜約68モル%のSiO2、約12モル%〜約16モル%のNa2O、約8モル%〜約12モル%のAl2O3、0モル%〜約3モル%のB2O3、約2モル%〜約5モル%のK2O、約4モル%〜約6モル%のMgO、および0モル%〜約5モル%のCaOを含み、そこで66モル%≦SiO2+B2O3+CaO≦69モル%、Na2O+K2O+B2O3+MgO+CaO+SrO>10モル%、5モル%≦MgO+CaO+SrO≦8モル%、(Na2O+B2O3)−Al2O3≧2モル%、2モル%≦Na2O−Al2O3≦6モル%、および4モル%≦(Na2O+K2O)−Al2O3≦10モル%である。このガラスは、2007年7月27日に出願された“Down−Drawable, Chemically Strengthened Glass for Cover Plate”と題されたAdam J.Ellisonらによる米国特許第7,666,511号明細書に記載されており、それは2007年5月18日に出願された米国仮特許出願第60/930,808号明細書に対する優先権を主張し、その内容をそれらの全体において参照によって本明細書に組み込む。
別の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、アルミナおよび酸化ホウ素の少なくとも1つ、ならびにアルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物の少なくとも1つを含み、そこで−15モル%≦(R2O+R’O−Al2O3−ZrO2)−B2O3≦4モル%であり、RがLi、Na、K、Rb、およびCsのうちの1つであり、R’がMg、Ca、Sr、およびBaのうちの1つである。いくつかの実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、約62モル%〜約70モル%のSiO2、0モル%〜約18モル%のAl2O3、0モル%〜約10モル%のB2O3、0モル%〜約15モル%のLi2O、0モル%〜約20モル%のNa2O、0モル%〜約18モル%のK2O、0モル%〜約17モル%のMgO、0モル%〜約18モル%のCaO、および0モル%〜約5モル%のZrO2を含む。このガラスは、2008年11月25日に出願された“Glasses Having Improved Toughness And Scratch Resistance”と題されたMatthew J.Dejnekaらによる米国特許出願第12/277,573号明細書に記載されており、2008年11月29日に出願された米国仮特許出願第61/004,677号明細書に対する優先権を主張し、その内容をそれらの全体において参照によって本明細書に組み込む。
別の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、約60モル%〜約70モル%のSiO2、約6モル%〜約14モル%のAl2O3、0モル%〜約15モル%のB2O3、0モル%〜約15モル%のLi2O、0モル%〜約20モル%のNa2O、0モル%〜約10モル%のK2O、0モル%〜約8モル%のMgO、0モル%〜約10モル%のCaO、0モル%〜約5モル%のZrO2、0モル%〜約1モル%のSnO2、0モル%〜約1モル%のCeO2、約50ppmのAs2O3、および約50ppmのSb2O3を含み、そこで12モル%≦Li2O+Na2O+K2O≦20モル%および0モル%≦MgO+CaO≦10モル%である。特定の実施形態において、ガラスが、60〜72モル%のSiO2、6〜14モル%のAl2O3、0〜15モル%のB2O3、0〜1モル%のLi2O、0〜20モル%のNa2O、0〜10モル%のK2O、0〜2.5モル%のCaO、0〜5モル%のZrO2、0〜1モル%のSnO2、および0〜1モル%のCeO2(12モル%≦Li2O+Na2O+K2O≦20モル%)、および50ppm未満のAs2O3を含む。このガラスは、2009年2月25日に出願された“Fining Agents for Silicate Glasses”と題された、Sinue Gomezらによる米国特許第8,158,543号明細書および2012年6月13日に出願された、“silicate Glasses Having Low Seed Concentration”と題されたSinue Gomezらによる米国特許出願第13/495,355号明細書に記載されており、両方とも、2008年2月26日に出願された米国仮特許出願第61/067,130号明細書に対する優先権を主張し、それらの内容をそれらの全体において参照によって本明細書に組み込む。
別の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、SiO2およびNa2Oを含み、そこでガラスは、ガラスが35キロポアズ(kpoise)の粘度を有する温度T35kpを有し、ジルコンが分解してZrO2およびSiO2を形成する温度Tbreakdownが、T35kpより大きい。いくつかの実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、約61モル%〜約75モル%のSiO2、約7モル%〜約15モル%のAl2O3、0モル%〜約12モル%のB2O3、約9モル%〜約21モル%のNa2O、約0モル%〜約4モル%のK2O、0モル%〜約7モル%のMgO、および0モル%〜約3モル%のCaOを含む。このガラスは、2010年8月10日に出願された“Zircon Compatible Glasses for Down Draw”と題されたMatthew J.Dejnekaらによる米国特許出願第12/856,840号明細書に記載されており、それは2009年8月29日に出願された米国仮特許出願第61/235,762号明細書に対する優先権を主張し、それらの内容をそれらの全体において参照によって本明細書に組み込む。
別の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、少なくとも50モル%のSiO2と、アルカリ金属酸化物およびアルカリ土類金属酸化物からなる群から選択される少なくとも1つの改質剤とを含み、そこで[(Al2O3(モル%)+B2O3(モル%))/(Σアルカリ金属改質剤(モル%))]>1である。いくつかの実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、50モル%〜約72モル%のSiO2、約9モル%〜約17モル%のAl2O3、約2モル%〜約12モル%のB2O3、約8モル%〜約16モル%のNa2O、および0モル%〜約4モル%のK2Oを含む。このガラスは、2010年8月18日に出願された“Crack And Scratch Resistant Glass and Enclosures Made Therefrom”と題されたKristen L. Barefootらによる米国特許出願第12/858,490号明細書に記載されており、それは2009年8月21日に出願された米国仮特許出願第61/235,767号明細書に対する優先権を主張し、それらの内容をそれらの全体において参照によって本明細書に組み込む。
別の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、SiO2、Al2O3、P2O5、および少なくとも1つのアルカリ金属酸化物(R2O)(0.75≦[(P2O5(モル%)+R2O(モル%))/M2O3(モル%)]≦1.2、M2O3=Al2O3+B2O3)を含む。いくつかの実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、約40モル%〜約70モル%のSiO2、0モル%〜約28モル%のB2O3、0モル%〜約28モル%のAl2O3、約1モル%〜約14モル%のP2O5、および約12モル%〜約16モル%のR2Oを含み、特定の実施形態において、約40〜約64モル%のSiO2、0モル%〜約8モル%のB2O3、約16モル%〜約28モル%のAl2O3、約2モル%〜約12%のP2O5、および約12モル%〜約16モル%のR2Oを含む。このガラスは、2011年11月28日に出願された“Ion Exchangeable Glass with Deep Compressive Layer and High Damage Threshold”と題されたDana C.Bookbinderらによる米国特許出願第13/305,271号明細書に記載されており、それは2010年11月30日に出願された米国仮特許出願第61/417,941号明細書に対する優先権を主張し、それらの内容をそれらの全体において参照によって本明細書に組み込む。
さらに他の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、少なくとも約4モル%のP2O5を含み、そこで(M2O3(モル%)/RxO(モル%))<1、M2O3=Al2O3+B2O3、そしてRxOが、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス中に存在している一価および二価カチオン酸化物の総計である。いくつかの実施形態において、一価および二価カチオン酸化物が、Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、MgO、CaO、SrO、BaO、およびZnOからなる群から選択される。いくつかの実施形態において、ガラスが0モル%のB2O3を含む。このガラスは、2012年11月15日に出願された“Ion Exchangeable Glass with High Crack Initiation Threshold”と題されたTimothy M.Grossによる米国特許出願第13/677,805号明細書に記載されており、それは2011年11月16日に出願された米国仮特許出願第61/560,434号明細書に対する優先権を主張し、それらの内容をそれらの全体において参照によって本明細書に組み込む。
さらに別の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、少なくとも約50モル%のSiO2および少なくとも約11モル%のNa2Oを含み、圧縮応力が少なくとも約900MPaである。いくつかの実施形態において、ガラスはさらに、Al2O3と、B2O3、K2O、MgOおよびZnOの少なくとも1つとを含み、そこで−340+27.1・Al2O3−28.7・B2O3+15.6・Na2O−61.4・K2O+8.1・(MgO+ZnO)≧0モル%である。特定の実施形態において、ガラスが、約7モル%〜約26モル%のAl2O3、0モル%〜約9モル%のB2O3、約11モル%〜約25モル%のNa2O、0モル%〜約2.5モル%のK2O、0モル%〜約8.5モル%のMgO、および0モル%〜約1.5モル%のCaOを含む。このガラスは、2011年6月26日に出願された“Ion Exchangeable Glass with High Compressive Stress”と題されたMatthew J.Dejnekaらによる米国特許出願第13/533,298号明細書に記載されており、それは2011年7月1日に出願された米国仮特許出願第61/503,734号明細書に対する優先権を主張し、それらの内容をそれらの全体において参照によって本明細書に組み込む。
他の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、少なくとも約50モル%のSiO2、少なくとも約10モル%のR2O(R2OがNa2Oを含む)、Al2O3(−0.5モル%≦Al2O3(モル%)−R2O(モル%)≦2モル%)およびB2O3(B2O3(モル%)−(R2O(モル%)−Al2O3(モル%))≧4.5モル%)を含む。特定の実施形態において、ガラスが、少なくとも約50モル%のSiO2、約12モル%〜約22モル%のAl2O3、約4.5モル%〜約10モル%のB2O3、約10モル%〜約20モル%のNa2O、0モル%〜約5モル%のK2O、少なくとも約0.1モル%のMgO、ZnO、またはそれらの組合せ(0モル%≦MgO≦6および0≦ZnO≦6モル%)、そして、任意選択により、CaO、BaO、およびSrOの少なくとも1つ(0モル%≦CaO+SrO+BaO≦2モル%)を含む。このガラスは、2012年5月31日に出願された“Ion Exchangeable Glass with High Damage Resistance”と題されたMatthew J.Dejnekaらによる米国仮特許出願第61/653,485号明細書に記載されており、その内容をそれらの全体において参照によって組み込む。
他の実施形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスが、少なくとも約50モル%のSiO2、少なくとも約10モル%のR2O(R2OがNa2Oを含む)、Al2O3(Al2O3(モル%)<R2O(モル%))、およびB2O3(B2O3(モル%)−(R2O(モル%)−Al2O3(モル%))≧3モル%)を含む。特定の実施形態において、ガラスが、少なくとも約50モル%のSiO2、約9モル%〜約22モル%のAl2O3、約3モル%〜約10モル%のB2O3、約9モル%〜約20モル%のNa2O、0モル%〜約5モル%のK2O、少なくとも約0.1モル%のMgO、ZnO、またはそれらの組合せ(0≦MgO≦6モル%および0≦ZnO≦6モル%)、そして、任意選択により、CaO、BaO、およびSrOの少なくとも1つ(0モル%≦CaO+SrO+BaO≦2モル%)を含む。特定の実施形態において、ガラスは、ガラスが約30キロポアズ〜約40キロポアズの範囲の粘度を有する温度に等しいジルコン分解温度を有する。ガラスは、2012年5月31日に出願された“Zircon Compatible, Ion Exchangeable Glass with High Damage Resistance”と題されたMatthew J.Dejnekaらによる米国仮特許出願第61/653,489号明細書に記載されており、その内容をそれらの全体において参照によって組み込む。
いくつかの実施形態において、上述のアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、リチウム、ホウ素、バリウム、ストロンチウム、ビスマス、アンチモン、およびヒ素のうちの少なくとも1つを実質的に含有しない(すなわち、0モル%を含有する)。
いくつかの実施形態において、上述のアルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、スロット延伸、溶融延伸、再延伸等の当技術分野に公知の方法によってダウンドロー可能であり、少なくとも130キロポアズの液相線粘度を有する。
一実施形態において、ガラス物品300などのここに記載されるガラス物品は、イオン交換により化学的に強化される。このプロセスにおいて、ガラスの表面層中のイオンは、同じ原子価数または酸化数を有するより大きいイオンにより置換される−または交換される。ガラス物品がアルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含む、から実質的になる、またはからなるそれらの実施形態において、ガラスの表面層中のイオンおよびより大きいイオンは、Li+(ガラス中に存在する時)、Na+、K+、Rb+、およびCs+などの一価アルカリ金属カチオンである。あるいは、表面層中の一価カチオンは、Ag+等の、アルカリ金属カチオン以外の一価カチオンと交換されてもよい。
イオン交換プロセスは、通常、ガラス中のより小さいイオンと交換されるより大きいイオンを含有する溶融塩浴中にガラス物品を浸漬することにより行われる。浴槽の組成および温度、浸漬時間、塩浴(または複数塩浴)中のガラスの浸漬の数、複数塩浴の使用の他、アニーリング、洗浄等の追加の工程を含めるがこれらに限定されないイオン交換プロセスについてのパラメータは、ガラスの組成、および強化操作の結果としてのガラスの所望の層の深さおよび圧縮応力によって一般に決定されることが、当業者により理解されるであろう。例として、アルカリ金属含有ガラスのイオン交換は、より大きいアルカリ金属イオンの硝酸塩、硫酸塩、および塩化物などであるがこれらに限定されない塩を含有する少なくとも一つの溶融浴中に浸漬することにより達成されてもよい。溶融塩浴の温度は通常、約380℃から約450℃までの範囲であり、浸漬時間は約15分間から約16時間までの範囲である。しかしながら、上記の温度および浸漬時間と異なる温度および浸漬時間も使用してよい。このようなイオン交換処理は通常、約200MPaから約800MPaまでの範囲の圧縮応力および約200MPa未満の中央張力を有する、約10μmから少なくとも50μmまでの範囲の層の深さを有する強化されたアルカリアルミノケイ酸塩ガラスをもたらす。
イオン交換プロセスの非限定的な例は、本明細書において先に参照された米国特許出願および仮特許出願に提供される。さらに、ガラスが複数のイオン交換浴中に浸漬され、浸漬の間に洗浄および/またはアニーリング工程があるイオン交換プロセスの非限定的な例は、ガラスが、異なる濃度の塩浴中での複数の連続的なイオン交換処理での浸漬により強化される、2008年7月11日に出願された米国仮特許出願第61/079,995号明細書に対する優先権を主張する、“Glass with Compressive Surface for Consumer Applications”と題されたDouglas C.Allanらによる米国特許出願第12/500,650号明細書、および、ガラスが、排出イオンにより希釈される第一浴でのイオン交換と、その後の第一浴よりも小さい濃度の排出イオンを有する第二浴中の浸漬とにより強化される、2008年7月29日に出願された米国仮特許出願第61/084,398号明細書に対する優先権を主張する、2009年7月28日に出願された“Dual Stage Ion Exchange for Chemical Strengthening of Glass”と題された、Christopher M. Leeらによる米国特許第8,312,739号明細書に記載される。米国仮特許出願第61/079,995号明細書および第61/084,398号明細書の内容は、参照によりそれらの全体において本明細書に組み込まれる。
一実施形態において、ガラスは、スロット延伸、溶融延伸、再延伸等の当技術分野に公知の方法によってダウンドロー可能であり、少なくとも130キロポアズの液相線粘度を有する。
いくつかの実施形態において、強化ガラス物品は、約2mmまでの厚さを有し、特定の実施形態において、厚さは約0.1mmから約2mmまでの範囲である。別の実施形態において、ガラス物品の厚さは約0.1mm〜約0.7mm、約0.5mm〜約0.75mmまたは、別の実施形態において、約0.9mm〜約2mmの範囲である。
さらなる実施形態において、強化ガラス物品はまた、より小さい厚さにおいて、例えば、0.5mm未満の厚さにおいて実質的に非脆性であってもよい。別の実施形態において、強化ガラス物品は、以下のように定められた厚さ:0.3≦t<0.5mmを備えてもよい。さらに別の実施形態において、強化ガラス物品の厚さは0.3〜0.45mmであってもよい。
さらに、強化ガラス物品の外側領域は、少なくとも30μmの層の深さおよび少なくとも600MPaの圧縮応力を有してもよい。さらなる実施形態において、層の深さは、少なくとも約40μm、または少なくとも約52μmであってもよい。さらに、強化ガラス物品の外側領域は、700MPa超、または約700〜800MPaの間の圧縮応力を含んでもよい。
実質的に非脆性であるかまたは脆性挙動を有しない、(すなわち、ここに記載されるように、3未満の脆性指数を有する)強化ガラス物品を製造する方法もまた提供される。厚さtを有するガラス物品が最初に提供される。一実施形態において、ガラス物品は、上述したようなアルカリアルミノケイ酸塩ガラスである。ガラス物品の外側領域に圧縮応力CSを生じさせ、ガラス物品を強化する。圧縮応力CSは、ガラス物品の中央領域に中央張力CTを生じさせるために十分であり、CT(MPa)≦−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)である。一実施形態において、圧縮応力CSは、ガラス物品の中央領域に中央張力CTを生じさせるために十分であり、−15.7t+52.5≦CT≦−38.7ln(t)+48.2である。ガラス物品は、別の実施形態において、上述したようなアルカリアルミノケイ酸塩ガラスである。ガラス物品の外側領域に圧縮応力CSを生じさせ、ガラス物品を強化する。圧縮応力CSは、ガラス物品の中央領域に中央張力CTを生じさせるために十分であり、CT(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm).−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)である。別の実施形態において、圧縮応力CSは、ガラス物品の中央領域に中央張力CTを生じさせるために十分であり、−15.7t+52.5≦CT≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm)または−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)≦CT(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm)である。
一実施形態において、ガラス物品を化学的に強化することによって、例えば、ガラス物品の外側領域の複数の第1の金属イオンが複数の第2の金属イオンと交換され、外側領域が複数の第2の金属イオンを含むようにする、先述のイオン交換プロセスによって圧縮応力を生じさせる。第1の金属イオンの各々は、第1のイオン半径を有し、第2のアルカリ金属イオンの各々は第2のイオン半径を有する。第2のイオン半径は第1のイオン半径よりも大きく、外側領域により大きな第2のアルカリ金属イオンが存在することによって外側領域に圧縮応力を生じる。
第1の金属イオンおよび第2の金属イオンの少なくとも1つは好ましくは、アルカリ金属のイオンである。第1のイオンは、リチウム、ナトリウム、カリウム、およびルビジウムのイオンであってもよい。第2の金属イオンは、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、およびセシウムのイオンであってもよいが、ただし、第2のアルカリ金属イオンは、第1のアルカリ金属イオンのイオン半径よりも大きいイオン半径を有することを条件とする。
強化ガラス物品(例えば図3に示されるガラス物品300など)300は、例えば、限定されないが、電話、ミュージックプレーヤー、ビデオプレーヤー等の携帯通信および娯楽機器などのディスプレイおよびタッチスクリーン用途のための保護カバープレート(本明細書中で用いられるとき、「カバープレート」という用語は、ウインドウ等を包含する)として、および情報端末(IT)(例えば、携帯型またはラップトップコンピュータ)デバイス用のディスプレイスクリーンとして、ならびに他の用途において使用され得る。
典型的な実施形態が説明目的で示されたが、前述の説明は、本開示の範囲または添付した請求の範囲に制限を課すと考えられるべきでない。例えば、イオン交換以外のプロセスを使用して、ガラスを強化してもよく、ガラスを強化する異なった手段を互いに併用して、ガラス内の圧縮応力を達成してもよい。別の一実施形態において、イオン交換プロセスにおいて銀等の金属イオンを、アルカリ金属イオンの代わりにまたは組合せて使用してもよい。したがって、本開示の精神および範囲または添付した請求の範囲から逸脱せずに様々な改良、改作、および代替物が当業者には考えられるであろう。
Claims (24)
- 厚さt<0.5mmを有する強化ガラス物品であって、
前記物品の表面から該物品内の層の深さDOLまで延在し、圧縮応力CS下にある外側領域と、
中央張力CT下にある内側領域と、
を含み、
−15.7(MPa/mm)・t(mm)+52.5(MPa)<CT(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm)であることを特徴とする、強化ガラス物品。 - 前記強化ガラス物品を破断するのに十分な点衝撃を受ける時に実質的に非脆性であることを特徴とする、請求項1に記載の強化ガラス物品。
- 前記強化ガラス物品を破断するのに十分な点衝撃を受ける時に、3未満の脆性指数を有することを特徴とする、請求項1に記載の強化ガラス物品。
- 前記強化ガラス物品が前記点衝撃によって破断される時に、0%≦n1≦5%の破片サイズn1(%≦1mm)、0個の破片/cm2≦n2≦3個の破片/cm2の破片密度n2(破片/cm2)、0≦n3≦5の亀裂の分岐n3および0%≦n4≦2%の飛散n4(%≧5cm)の少なくとも1つ、またはそれらの組合せを示すことを特徴とする、請求項3に記載の強化ガラス物品。
- 前記外層が、少なくとも30μmの層の深さおよび少なくとも600MPaの圧縮応力を有することを特徴とする、請求項1に記載の強化ガラス物品。
- 前記外層が少なくとも約700MPaの圧縮応力を有することを特徴とする、請求項5に記載の強化ガラス物品。
- 前記外層が少なくとも約52μmの層の深さを有することを特徴とする、請求項5に記載の強化ガラス物品。
- 前記強化ガラス物品の前記厚さが0.3≦t<0.5mmであることを特徴とする、請求項1に記載の強化ガラス物品。
- 前記強化ガラス物品の前記厚さが0.3≦t≦0.45mmであることを特徴とする、請求項8に記載の強化ガラス物品。
- アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含むことを特徴とする、請求項1に記載の強化ガラス物品。
- 厚さt<0.5mmを有する強化ガラス物品であって、
前記物品の表面から該物品内の層の深さDOLまで延在し、圧縮応力CS下にある外側領域と、
中央張力CT下の内側領域と、
を含み、
CT(MPa)>−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)であり、該強化ガラス物品を破断するのに十分である点衝撃を受ける時に実質的に非脆性であることを特徴とする、強化ガラス物品。 - 前記外層が少なくとも30μmの層の深さおよび少なくとも600MPaの圧縮応力を有することを特徴とする、請求項11に記載の強化ガラス物品。
- 前記外層が少なくとも700MPaの圧縮応力を有することを特徴とする、請求項12に記載の強化ガラス物品。
- 前記外層が少なくとも約52μmの層の深さを有することを特徴とする、請求項12に記載の強化ガラス物品。
- 前記強化ガラス物品の前記厚さが0.3≦t<0.5mmであることを特徴とする、請求項11に記載の強化ガラス物品。
- 前記強化ガラス物品の前記厚さが0.3≦t≦0.45mmであることを特徴とする、請求項15に記載の強化ガラス物品。
- アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含むことを特徴とする、請求項11に記載の強化ガラス物品。
- 厚さt<0.5mmを有する強化ガラス物品であって、
前記物品の表面から該物品内の少なくとも30μmの層の深さDOLまで延在し、少なくとも600MPaの圧縮応力CS下にある外側領域と、
中央張力CT下にある内側領域と、
を含み、
−38.7(MPa/mm)・ln(t)(mm)+48.2(MPa)≦CT(MPa)≦57(MPa)−9.0(MPa/mm)・ln(t)(mm)+49.3(MPa/mm)・ln2(t)(mm)であり、
前記強化ガラス物品が、該強化ガラス物品を破断するために十分な点衝撃を受ける時に、実質的に非脆性であり、3未満の脆性指数を有することを特徴とする、強化ガラス物品。 - 前記強化ガラス物品が前記点衝撃によって破断される時に、0%≦n1≦5%の破片サイズn1(%≦1mm)、0個の破片/cm2≦n2≦3個の破片/cm2の破片密度n2(破片/cm2)、0≦n3≦5の亀裂の分岐n3および0%≦n4≦2%の飛散n4(%≧5cm)の少なくとも1つ、またはそれらの組合せを示すことを特徴とする、請求項18に記載の強化ガラス物品。
- 前記外層が少なくとも700MPaの圧縮応力を有することを特徴とする、請求項18に記載の強化ガラス物品。
- 前記外層が少なくとも約52μmの層の深さを有することを特徴とする、請求項18に記載の強化ガラス物品。
- 前記強化ガラス物品の前記厚さが0.3≦t<0.5mmであることを特徴とする、請求項18に記載の強化ガラス物品。
- 前記強化ガラス物品の前記厚さが0.3≦t≦0.45mmであることを特徴とする、請求項22に記載の強化ガラス物品。
- アルカリアルミノケイ酸塩ガラスを含むことを特徴とする、請求項18に記載の強化ガラス物品。
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