JP2016529194A - ハイブリッドソーダ石灰ケイ酸塩およびアルミノケイ酸塩ガラス物品 - Google Patents
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Abstract
約４０モル％以上〜約６８モル％以下のＳｉＯ２、約１１モル％以下のＡｌ２Ｏ３を含み、約１：１以上〜約２：１以下のＲ２Ｏ：Ｒ’Ｏモル比、および約０．６：１以上〜約１．８：１以下のＭｇＯ：ＣａＯモル比を有するガラス物品が提供される。そのガラス物品は、その少なくとも１つの面における圧縮応力層も含んでいてもよく、圧縮応力層は、約８００ＭＰａ以上の圧縮応力および約２０μｍ以上の深さを有する。
Description
本出願は、米国特許法第１１９条に基づいて、２０１３年８月２日に出願された米国仮特許出願第６１／８６１６６７号の優先権の利益を主張するものであり、この仮特許出願の内容全体が依拠され、参照により本明細書に援用される。
本明細書は、一般に、ハイブリッドソーダ石灰ケイ酸塩およびアルミノケイ酸塩ガラス物品に関し、より詳細には、イオン交換可能なハイブリッドソーダ石灰ケイ酸塩およびアルミノケイ酸塩ガラス物品に関する。
ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスは、以前から知られており、例えば、フロート法などの費用効率の高い方法によって容易に作製される。さらに、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスに使用される原料は、他のタイプのガラス中の原料と比較して安価である。しかしながら、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスは、機械的強度および携帯電話、タブレット型コンピュータ、ラップトップコンピュータなどの現在の電子デバイスに必要な他の特性を提供しない。逆に、アルミノケイ酸塩ガラス、特に、イオン交換されるアルミノケイ酸塩ガラスは、現在の電子デバイスに使用されるのに十分な機械的強度および化学安定性を有するが、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスと比較して、製造するのに高コストの方法および原料を必要とする。
したがって、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスの低コスト特性およびアルミノケイ酸塩ガラスの高性能特性のバランスの取れた代替的なガラス組成物を含むガラス物品が必要とされている。
実施形態によれば、約４０モル％以上〜約６８モル％以下のＳｉＯ２、約１１モル％以下のＡｌ２Ｏ３を含み、約１：１以上〜約２：１以下のＲ２Ｏ：Ｒ’Ｏモル比、および約０．６：１以上〜約１．８：１以下のＭｇＯ：ＣａＯモル比を有するガラス物品が提供される。そのガラス物品は、その少なくとも１つの面における圧縮応力層も含んでいてもよく、圧縮応力層は、約８００ＭＰａ以上の圧縮応力を有する。
ある実施形態によれば、約４０モル％以上〜約６８モル％以下のＳｉＯ２、約１１モル％以下のＡｌ２Ｏ３、約１３モル％以上〜約２１モル％以下のＲ２Ｏ、および約２．５モル％以上のＣａＯを含み、約１：１以上〜約２：１以下のＲ２Ｏ：Ｒ’Ｏモル比を有するガラス物品が提供される。ガラス物品は、その少なくとも１つの面における圧縮応力層を含んでいてもよく、圧縮応力層は、約８００ＭＰａ以上の圧縮応力および約２０μｍ以上の深さを有する。
さらなる特徴および利点が、以下の詳細な説明に記載され、ある程度はその説明から当業者に容易に明らかになり、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、ならびに添付の図面を含め、本明細書に記載される実施形態を実施することによって認識される。
上記の概要および以下の詳細な説明の両方が、様々な実施形態を説明し、請求項に記載される主題の性質および特徴を理解するための概説または枠組みを提供することが意図されることが理解されるべきである。添付の図面は、様々な実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本明細書に記載される様々な実施形態を例示し、説明とともに、請求項に記載される主題の原理および作用を説明する役割を果たす。
これより、公知のソーダ石灰ケイ酸塩ガラスより向上した強度を示し、かつ費用効率良く作製可能なガラス組成物を含むガラス物品の様々な実施形態が詳細に言及される。このようなガラス物品は、多種多様な用途に使用するのに適している。ガラス物品はまた、イオン交換プロセスなどによって化学的に強化されてもよく、それによって、ガラスに向上した機械的耐久性を与える。本明細書に記載されるガラス物品は、一般に、ガラス物品を費用効率の高い方法で製造することができ、また、ガラス物品を高いレベルまで化学的に強化することができる量で、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、および／またはＺｎＯなどの二価カチオン酸化物（本明細書においてまとめてＲ’Ｏと呼ばれる）、ならびにＮａ２Ｏおよび／またはＫ２Ｏなどのアルカリ酸化物（本明細書においてまとめてＲ２Ｏと呼ばれる）を含むガラス組成物を有する。ガラス組成物中に存在するアルカリ酸化物は、イオン交換によってガラス物品を化学的に強化するのを促進し得る。ガラス物品およびガラス組成物の様々な実施形態が、本明細書に記載され、具体例を参照してさらに例示される。
本明細書に記載されるガラス物品およびガラス組成物の実施形態において、構成成分（例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｒ２Ｏ、Ｒ’Ｏなど）の濃度が、特に規定されない限り、酸化物に基づいたモルパーセント（モル％）で記載される。
ガラス組成物中の特定の構成成分の濃度および／または不存在を表すのに使用される際の「含まない」および「実質的に含まない」という用語は、構成成分が、ガラス組成物に意図的に加えられないことを意味する。しかしながら、ガラス組成物は、０．１０モル％未満の量の汚染物質としての微量の構成成分を含有していてもよい。
本明細書に記載されるガラス組成物は、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラス組成物とアルミノケイ酸塩ガラス組成物とのハイブリッドである。ガラス組成物は、一般に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、１つ以上の二価カチオン酸化物、Ｒ’Ｏ、（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、および／またはＺｎＯなど）、ならびに１つ以上のアルカリ酸化物、Ｒ２Ｏ、（Ｎａ２Ｏおよび／またはＫ２Ｏなど）の組合せを含む。ガラス組成物のある実施形態は、Ｐ２Ｏ５を含む。ある実施形態において、ガラス組成物は、ホウ素、リチウム、および／またはバリウムならびにホウ素、リチウム、および／またはバリウムを含有する化合物を含まないかまたは実質的に含まない。これらの成分の組合せは、比較的低コストで製造することができ、また、イオン交換などによる化学的強化に好適なガラス物品を提供する。ある実施形態において、ガラス組成物は、例えば、ＳｎＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３などの少量の１つ以上のさらなる酸化物をさらに含む。これらの成分は、清澄剤として、および／またはガラス物品の化学的耐久性（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ）を高めるために加えられ得る。
本明細書に記載されるガラス物品の実施形態において、ＳｉＯ２が、それらの組成物の最大の成分であり、したがって、得られるガラスネットワークの主成分である。ＳｉＯ２が、ガラス物品に耐久性を与える。したがって、比較的高いＳｉＯ２濃度が一般に望ましい。しかしながら、ＳｉＯ２の量が多過ぎる場合、ＳｉＯ２の濃度が高くなるほど、ガラス組成物を溶融させるのが難しくなり得るため、ガラス物品の成形性が低下され得、ひいては、ガラス物品の成形性に悪影響を与える。本明細書に記載される実施形態において、ガラス組成物は、一般に、約５０モル％以上かつ約６８モル％以下、または約６６モル％以下の量のＳｉＯ２を含む。ある実施形態において、ガラス組成物中のＳｉＯ２の量は、約５０モル％以上、または約５７モル％以上である。ある実施形態において、ガラス組成物中のＳｉＯ２の量は、約５９モル％以上である。例えば、ある実施形態において、ガラス組成物は、約５０モル％以上〜約６８モル％以下のＳｉＯ２を含む。ある他の実施形態において、ガラス組成物は、約５７モル％以上〜約６７モル％以下のＳｉＯ２、または約５９モル％以上〜約６４モル％以下のＳｉＯ２を含む。
本明細書に記載されるガラス物品は、Ａｌ２Ｏ３をさらに含む。Ａｌ２Ｏ３は、ガラス組成物中に存在するアルカリ酸化物とともに、イオン交換強化に対するガラス物品の感度を向上させる。ガラス組成物中のＡｌ２Ｏ３の量が多過ぎる場合、ガラス組成物の粘度が増加し、ガラス組成物をガラス物品へと成形するのに高温が必要とされ得、それによって、コストおよび製造時間が増加される。さらに、Ａｌ２Ｏ３の量が多過ぎる場合、熱膨張係数が低下される。しかしながら、ガラス組成物中のＡｌ２Ｏ３の量が少な過ぎる場合、所望の圧縮応力が、イオン交換中で達成されないことがある。したがって、本明細書に記載されるガラス組成物は、一般に、約７モル％以上〜約１１モル％以下の量のＡｌ２Ｏ３を含む。ある実施形態において、ガラス組成物中のＡｌ２Ｏ３の量は、約８モル％以上〜約１０モル％以下である。ある他の実施形態において、ガラス組成物中のＡｌ２Ｏ３の量は、約９モル％である。
ガラス物品は、１つ以上のアルカリ酸化物も含む。アルカリ酸化物（Ｒ２Ｏ）は、ガラス組成物のイオン交換可能性を促進し、したがって、ガラス物品を化学的に強化するのを促進する。ある実施形態において、ガラス組成物中に存在するアルカリ酸化物は、Ｎａ２Ｏおよび／またはＫ２Ｏ（すなわち、「Ｒ」が、Ｎａおよび／またはＫである）を含む。実施形態において、Ｒ２Ｏが、約１３モル％以上〜約２１モル％以下の総濃度で、ガラス組成物中に存在する。ある他の実施形態において、Ｒ２Ｏが、約１３モル％以上〜約１９モル％以下、または約１４モル％以上〜約１８モル％以下の総濃度で、ガラス組成物中に存在する。さらに他の実施形態において、Ｒ２Ｏが、約１５モル％以上〜約１７モル％以下の総濃度で、ガラス組成物中に存在するか、または約１６モル％で存在する。
ガラス物品のイオン交換可能性は、部分的には、イオン交換の前にガラス組成物中に最初に存在するＮａ２Ｏの量によってガラス物品に与えられる。したがって、本明細書に記載されるガラス物品の実施形態において、ガラス組成物中に存在するアルカリ酸化物は、少なくともＮａ２Ｏを含む。特に、Ｎａ２Ｏが、イオン交換強化の際の所望の圧縮強度およびガラス物品における層深さを達成するのに役立ち得る。ガラス組成物の実施形態は、約１２モル％〜約２０モル％の量のＮａ２Ｏを含む。ある実施形態において、ガラス組成物は、約１５モル％以上〜約１８モル％以下などの約１４モル％以上の量のＮａ２Ｏを含む。他の実施形態において、ガラス組成物は、約１６モル％以上〜約１７モル％以下の量のＮａ２Ｏを含む。ガラス組成物中のＮａ２Ｏの量が少な過ぎる場合、ガラス組成物におけるイオン交換が十分でないことがある。しかしながら、ガラス組成物中のＮａ２Ｏの量が多過ぎる場合、ガラス物品の熱膨張係数が、許容できないレベルまで増加し得る。
上述されるように、組成物物品中のアルカリ酸化物は、Ｋ２Ｏをさらに含み得る。ガラス組成物中に存在するＫ２Ｏの量は、ガラス物品のイオン交換可能性にも関連し、圧縮応力層の深さを増加させ得る。しかしながら、ガラス組成物中に存在するＫ２Ｏの量が増加するにつれて、イオン交換によって得られる圧縮応力は、カリウムイオンとナトリウムイオンとの交換の結果として低下する。したがって、ガラス組成物中に存在するＫ２Ｏの量を制限するのが望ましいことがある。ある実施形態において、ガラス組成物中のＫ２Ｏの量は、約１．０モル％以上〜約３．５モル％以下、または約１．５モル％以上〜約３．０モル％以下である。ある実施形態において、ガラス組成物中のＫ２Ｏの量は、約１．８モル％以上〜約２．８モル％以下であり、または約２．０モル％で存在する。
ガラス組成物中に存在するＡｌ２Ｏ３およびＲ２Ｏの量はまた、Ｒ２Ｏ対Ａｌ２Ｏ３の比率として表されてもよい。ある実施形態において、ガラス組成物における比率Ｒ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３は、イオン交換強化に対するガラス物品の感度を促進するために、約１．３：１以上〜約２．３：１以下である。特に、ガラス物品の拡散係数または拡散率は、アルカリイオンがイオン交換中にガラス物品表面に浸透する速度に関連する。約１．３：１以上の比率Ｒ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３を有するガラス組成物が、約１．３：１未満の比率Ｒ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３を有するガラス物品より高い拡散率を有し得る。アルカリイオンがより高い拡散率を有するガラス物品では、アルカリイオンがより低い拡散率を有するガラス物品より、所与のイオン交換時間およびイオン交換温度で、層のより深い深さを得ることができる。さらに、Ｒ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３の比率が増加するにつれて、ガラス物品の歪み点、焼鈍し点、および軟化点が低下するため、ガラス物品は、より容易に成形可能である。さらに、所与のイオン交換時間およびイオン交換温度では、約１．３：１以上〜約２．３：１以下の比率Ｒ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３を有するガラス物品中で誘発される圧縮応力が、一般に、比率Ｒ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３が１．３：１未満または２．３：１超であるガラス物品で生じるものより大きいことが分かった。したがって、ある実施形態において、Ｒ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３の比率は、約１．５：１以上〜約２．１：１以下、または約１．７：１以上〜約１．９：１以下である。
ガラス組成物中に存在する、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、およびＺｎＯなどの二価カチオン酸化物（Ｒ’Ｏ）は、ガラス物品の溶融性、イオン交換に対するガラス物品の感度、およびガラス物品における圧縮応力層の深さを向上させ得る。しかしながら、ガラス組成物中のＲ’Ｏの量が多くなり過ぎると、イオン交換に対するガラス物品の感度が低下することがあり、熱膨張係数が許容できないレベルまで増加することがある。本明細書に記載されるある実施形態において、ガラス組成物は、約７モル％以上〜約１７モル％以下、または約９モル％以上〜約１５モル％以下の量のＲ’Ｏを含む。他の実施形態において、ガラス組成物は、約１０モル％以上〜約１４モル％以下、または約１１モル％以上〜約１３モル％以下の量のＲ’Ｏを含む。
ＭｇＯが、高温におけるガラス組成物の粘度を低下させ、それによって、ガラス物品の溶融性および成形性を向上させ、および／またはヤング率を向上させ得る。ＭｇＯは、ガラス物品のイオン交換感度も向上させることができ、特に、ＭｇＯは、他のアルカリ土類金属酸化物と比較して圧縮応力層の深さを増加させ得る。ある実施形態において、ガラス組成物中のＭｇＯの量は、約４モル％以上〜約９モル％以下、または約５モル％以上〜約８モル％以下である。他の実施形態において、ガラス組成物中のＭｇＯの量は、約６モル％以上〜約７モル％以下である。
ＣａＯが、高温におけるガラス組成物の粘度を低下させ、それによって、ガラス物品の溶融性および成形性を向上させ、および／またはヤング率を向上させ得る。ＣａＯは、ガラス物品のイオン交換感度も向上させることができ、特に、ＣａＯは、ＭｇＯを含む他のアルカリ土類金属酸化物と比較して圧縮応力層の圧縮応力を増加させ得る。しかしながら、ガラス組成物中のＣａＯの量が多くなり過ぎると、圧縮応力層の深さが減少され得る。したがって、ある実施形態において、ガラス組成物中のＣａＯの量は、約３．０モル％以上〜約７．０モル％以下などの、約２．５モル％以上〜約８．０モル％以下である。ある実施形態において、ガラス組成物中のＣａＯの量は、約４．０モル％以上〜約７．０モル％以下である。他の実施形態において、ガラス組成物中のＣａＯの量は、約５．０モル％以上〜約６．０モル％以下である。
本明細書に記載されるある実施形態において、ガラス組成物は、限定はされないがＭｇＯを含む、ガラス組成物中の他のアルカリ土類金属酸化物の濃度と比較して比較的高いレベルのＣａＯを含有する。特に、高いレベルのＣａＯを有するガラス組成物から成形される物品は、このような高いレベルのＣａＯを含有しないガラス物品より、圧縮応力層におけるより高い圧縮応力を有し得る。しかしながら、ＣａＯは、イオン交換の際にガラス物品におけるアルカリ金属イオンの拡散率を低下させ得、それにより、ガラス物品における圧縮応力層のより深い深さの形成を阻害し得る。逆に、ＭｇＯは、イオン交換の際にガラス物品へのアルカリ金属イオンの拡散率を増加させ、それによって、ガラスにおける圧縮応力層のより深い深さを与える。しかしながら、ＭｇＯは、ＣａＯが提供することが可能な高いレベルの圧縮応力を提供しないことがある。したがって、ガラス組成物中のＣａＯおよびＭｇＯの量のバランスを取ることにより、圧縮応力層の深さと圧縮応力層の圧縮応力とのバランスを取ることができる。
本明細書に記載されるガラス組成物中のＭｇＯおよびＣａＯの両方の利益を十分に実現するために、ＭｇＯ対ＣａＯのモル比は、層の所望の深さおよび圧縮応力を提供するようにバランスを取られる。実施形態において、ＭｇＯ：ＣａＯのモル比は、約０．８：１以上〜約１．７：１以下などの約０．６：１以上〜約１．８：１以下である。ある実施形態において、ＭｇＯ：ＣａＯのモル比は、約０．７：１以上〜約１．６：１以下である。
ソーダ石灰ケイ酸塩およびアルミノケイ酸塩ガラスの有益な特性を実現するために、ガラス組成物中のアルカリ金属酸化物（Ｒ２Ｏ）および二価カチオン酸化物（Ｒ’Ｏ）の量は、バランスを取られてもよい。したがって、実施形態において、ガラス組成物中のＲ２Ｏ：Ｒ’Ｏのモル比は、約１：１〜約２：１、または約１．２：１〜約１．８：１である。ある他の実施形態において、ガラス組成物中のＲ２Ｏ：Ｒ’Ｏのモル比は、約１．３：１〜約１．７：１、または約１．４：〜約１．６：１である。対照的に、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスは、一般に、１：１を超えるＲ２Ｏ：ＲＯ比を有し、アルミノケイ酸塩ガラスは、一般に、２：１を超えるＲ２Ｏ：ＲＯ比を有する。Ｒ２Ｏと比べて高いレベルの二価カチオン酸化物が、向上した圧縮応力をもたらし得るが、しかしながら、Ｒ’ＯがＲ２Ｏを超える場合、拡散率は大幅に低下され得る。
本明細書に記載されるガラス組成物のある実施形態において、ガラス組成物は、Ｐ２Ｏ５も含み得る。Ｐ２Ｏ５は、ガラス物品のイオン交換性能を向上させることができ、特に、圧縮応力層の深さを増加させ得る。しかしながら、Ｐ２Ｏ５の量が多くなり過ぎると、例えば、ＭｇＯおよびＣａＯなどの高電界強度二価カチオンの存在下などで、乳濁化（ｏｐａｌｉｚａｔｉｏｎ）および／または相分離が起こり得る。したがって、乳濁化および／または相分離を生じない少量のＰ２Ｏ５が、圧縮応力層の深さを増加させるために、ガラス組成物に加えられ得る。ある実施形態において、Ｐ２Ｏ５はガラス組成物中に存在しない。しかしながら、他の実施形態において、ガラス組成物中のＰ２Ｏ５の量は、約０．１０モル％以上〜約０．７５モル％以下、または約０．２０モル％以上〜約０．６０モル％以下である。ある実施形態において、ガラス組成物中のＰ２Ｏ５の量は、約０．２５モル％以上〜約０．５５モル％以下、または約０．３０モル％以上〜約０．５０モル％以下である。
ガラス組成物中のＰ２Ｏ５の量はまた、Ｐ２Ｏ５対Ｒ’Ｏのモル比として決定されてもよい。実施形態において、ガラス組成物は、約０．０：１以上〜約０．０５：１以下、または約０．０１：１以上〜約０．０４：１以下のＰ２Ｏ５：Ｒ’Ｏモル比を有する。他の実施形態において、ガラス組成物は、約０．０２：１以上〜約０．０３：１以下のＰ２Ｏ５：Ｒ’Ｏモル比を有する。比較的高い濃度のＲ’Ｏ（例えば、ＭｇＯおよびＣａＯなど）では、実施形態において、Ｐ２Ｏ５対Ｒ’Ｏの比率は、相分離および／または乳濁化を防ぐために低く保たれ得る。
ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｒ２Ｏ、およびＲ’Ｏに加えて、本明細書に記載されるガラス組成物は、例えば、ＳｎＯ２、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、およびＣｌ−（ＮａＣｌなどからの）などの１つ以上の清澄剤を任意に含み得る。実施形態において、ガラス組成物中の全ての清澄剤の合計は、約０．０１モル％以上〜約１．０モル％以下、または約０．０２モル％以上〜約０．８モル％以下の量である。他の実施形態において、ガラス組成物中の全ての清澄剤の合計は、約０．０３モル％以上〜約０．０７モル％以下、または約０．０４モル％以上〜約０．０６モル％以下の量である。例えば、ある実施形態において、ガラス組成物は、清澄剤としてＳｎＯ２を含む。これらの実施形態において、ＳｎＯ２は、約０．００１モル％〜約０．２０モル％、または約０．００２モル％〜約０．１０モル％の量で、ガラス組成物中に存在する。
さらに、本明細書に記載されるガラス物品は、イオン交換に対するガラス物品の感度をさらに向上させるために、１つ以上のさらなる金属酸化物を含み得る。例えば、ガラス組成物は、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、および／またはＺｒＯ２をさらに含み得る。これらの実施形態において、さらなる金属酸化物が、ＴｉＯ２またはＺｒＯ２である場合、ＴｉＯ２またはＺｒＯ２は、０モル％以上かつ約２モル％以下の量で存在する。さらなる金属酸化物がＺｎＯである場合、ＺｎＯは、０モル％以上かつ約７モル％以下の量で存在する。ＴｉＯ２およびＺｒＯ２は、ガラスの溶融温度を低下させ、それによって、イオン交換特性を向上させ、耐久性を向上させ得る。ＺｒＯ２およびＴｉＯ２は両方とも、ガラス中で結晶の核となることがあり、したがって、実施形態において、高濃度のこれらの金属酸化物は回避され得る。
上述されるように、ガラス組成物中のアルカリ酸化物の存在により、イオン交換によってガラス物品を化学的に強化することが促進される。特に、カリウムイオン、ナトリウムイオンなどのアルカリイオンは、ガラス物品中で、イオン交換を促進するのに十分に移動可能である。ここで、図１を参照すると、５００℃以下または４５０℃以下の温度で、２０時間以下、または８時間以下の期間にわたって、ガラス物品を、１００％のＫＮＯ３の溶融塩浴（または８０重量パーセントを超えるＫＮＯ３および残りのＮａＮＯ３の混合塩浴）に曝すことによって、圧縮応力層１１０がガラス物品１００中で形成され得る。ある実施形態において、層の所望の深さおよび圧縮応力を達成するための期間は、４時間以下または３．５時間以下である。層の所望の深さおよび圧縮応力を達成するための温度は、４７０℃以下または３５０℃以下であり得る。
ある実施形態において、ガラス物品は、２０μｍ以上の深さＤを有する圧縮応力層１１０を形成するようにイオン交換可能である。ある実施形態において、層１１０の深さＤは、約２５μｍ以上、または約３０μｍ以上である。ある他の実施形態において、層１１０の深さＤは、３５μｍ以上である。さらに他の実施形態において、層１１０の深さＤは、約８０μｍ以下、または約７０μｍ以下である。他の実施形態において、層１１０の深さＤは、約６０μｍ以下、または約５０μｍ以下である。したがって、ある実施形態において、層１１０の深さＤは、約２０μｍ以上〜約８０μｍ以下、または約２５μｍ以上〜約７０μｍ以下である。ある他の実施形態において、層１１０の深さＤは、約３０μｍ以上〜約６０μｍ以下、または約３５μｍ以上〜約５０μｍ以下である。圧縮応力層の深さＤが深くなるほど、ガラス物品の表面に傷が生じた後でも、ガラス物品に亀裂が入りにくくなる。一方、圧縮応力層１１０の深さＤが増加するにつれて、ガラス物品を切断しにくくなり得、内部引張応力が増加し得る。圧縮応力層の厚さを増加させるために、Ｋ２Ｏおよび／またはＰ２Ｏ５の量が増加されてもよく、またはＣａＯの量が、ＭｇＯの対応する増加とともに減少され得る。さらに、圧縮応力層１１０の深さＤは、イオン交換プロセスの時間を延長することによって、またはイオン交換溶液の温度を上昇させることによって増加され得る。
ある実施形態において、圧縮応力層１１０の関連した圧縮応力は、８５０ＭＰａ以上などの約８００ＭＰａ以上である。ある実施形態において、ガラス物品がイオン交換された後、圧縮応力層１１０の関連した圧縮応力は、約９００ＭＰａ以上、または約９５０ＭＰａ以上である。ある実施形態において、圧縮応力層１１０の関連した表面圧縮応力は、約１，５００ＭＰａ以下、約１，２５０ＭＰａ以下、または約１，１００ＭＰａ以下である。したがって、実施形態において、圧縮応力層１１０の関連した圧縮応力は、約８００ＭＰａ以上〜約１，５００ＭＰａ以下、または約８５０ＭＰａ以上〜約１，２５０ＭＰａ以下である。ある他の実施形態において、圧縮応力層の圧縮応力は、約９００ＭＰａ以上〜約１，１００ＭＰａ以下、または約９５０ＭＰａ以上〜約１，０５０ＭＰａ以下であり得る。圧縮応力が大きくなるほど、ガラス物品の機械的強度が高くなる。圧縮応力を増加させるために、Ａｌ２Ｏ３および／またはＣａＯの量が増加され得る。あるいは、イオン交換プロセスの時間を短縮するか、またはイオン交換溶液の温度を低下させることが有利であり得る。
実施形態によれば、上記のイオン交換特性は、ガラス物品が、約４１０℃以上の温度で、約１．４×１０−１１ｃｍ２／ｓ以上の閾値拡散率を有する場合、達成され得る。閾値拡散率は、ガラス物品中のアルカリイオンの移動度の尺度であり、したがって、一般に、イオン交換による強化に対するガラス物品の適応性（ａｍｅｎａｂｉｌｉｔｙ）を表す。拡散率は、下式を用いて計算され得る。
式中、ＤＯＬは、イオン交換される層の深さであり、ｔは、イオン交換処理の時間である。
本明細書に記載されるガラス物品の実施形態は、約５２５℃以上かつ約５７５℃以下の歪み点を有する。ガラス物品の実施形態は、約５７０℃以上かつ約６２０℃以下の焼鈍し点、および約７６５℃以上かつ約８３０℃以下の軟化点も有する。ガラス物品の歪み点が高い場合、ガラス物品の耐熱性が向上され、熱処理がガラス物品に対して行われる場合でも、圧縮応力層内の圧縮応力は、歪み点未満の高温曝露中に緩和しない。また、ガラス物品の歪み点が高い場合、応力緩和は、イオン交換中に起こらないため、高い圧縮応力が得られる。
本明細書に記載される実施形態において、ガラス物品は、２５℃〜３００℃の温度範囲で、約９７×１０−７／℃−１未満または約９５×１０−７／℃−１未満の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。これらのより低いＣＴＥ値により、このガラス物品は、より高いＣＴＥを有するガラス物品と比べて、熱サイクルまたは熱応力条件により良好に耐えることができる。
実施形態において、ガラスの液相温度は、約１，１００℃以下、約１，０７０℃以下、または約１，０４０℃以下である。
実施形態において、ガラス組成物が１０，０００ポアズ（１，０００Ｐａ・ｓ）の対応する粘度を有する温度は、約１，０５０℃以上〜約１，１５０℃以下などの約１，０００℃以上〜約１，２００℃以下である。ある実施形態において、ガラス組成物が１０，０００ポアズ（１，０００Ｐａ・ｓ）の対応する粘度を有する温度は、約１，１００℃である。１０，０００ポアズ（１，０００Ｐａ・ｓ）のガラス粘度に対応する温度がより低い場合、キルンが、より低い温度で運転されてもよく、ガラス物品中で生じた、閉じ込められた気泡の量が減少され得る。さらに、実施形態によれば、１０，０００ポアズ（１，０００Ｐａ・ｓ）の粘度におけるガラスの温度は、ガラス物品が、フロート法、ロールアウト法（ｒｏｌｌ−ｏｕｔ）、およびプレス法などのより低コストの方法によって成形され得るような温度であり得る。
ある実施形態において、本明細書に記載されるガラス組成物から成形されるガラス物品は、約７３ＧＰａ以上などの約７０ＧＰａ以上のヤング率を有する。ある実施形態において、ガラスは、８０ＧＰａ以下、または約７７ＧＰａ以下のヤング率を有する。本明細書に記載されるように、比較的高いヤング率を有するガラス物品は、一般に、作用応力の付加の際の変形に耐える。比較的高いヤング率を有するガラス物品が、限定はされないが、電子デバイスにおけるカバーガラスとしての用途を含む様々な用途に使用され得る。
実施形態において、ガラス物品は、約５６０ｋｇｆ／ｍｍ２〜約６２０ｋｇｆ／ｍｍ２などの約５４０ｋｇｆ／ｍｍ２〜約６４０ｋｇｆ／ｍｍ２のビッカース硬度を有する。他の実施形態において、ガラス物品は、約５８０ｋｇｆ／ｍｍ２〜約６００ｋｇｆ／ｍｍ２のビッカース硬度を有する。
実施形態によれば、本明細書に記載されるガラス物品は、ガラス原料のバッチが所望の組成を有するようにガラス原料のバッチ（例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、アルカリ酸化物、二価カチオン酸化物などの粉末）を混合することによって成形され得る。その後、ガラス原料のバッチは、溶融ガラス組成物を形成するように加熱され、それは続いて冷却され、固化されて、ガラス物品が成形される。固化の際（すなわち、ガラス組成物が塑性変形可能な場合）、ガラス組成物は、ガラス組成物を所望の最終形態へと成形するために標準的な成形技術を用いて成形され得る。あるいは、ガラス組成物は、シート、管などのストック形態へと成形され、続いて再加熱され、所望の最終形態へと成形され得る。例えばダウンドロー法（スロットダウン法（ｓｌｏｔ ｄｏｗｎ ｍｅｔｈｏｄ）およびリドロー法（ｒｅ−ｄｒａｗ ｍｅｔｈｏｄ））、フロート法、ロールアウト法、およびプレス法などの任意の好適なプロセスが、ガラス物品を成形するのに使用され得る。
本明細書に記載されるガラス物品は、様々な透明性、透光性（ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｃｙ）、および色（またはそれらの欠如）を有し得る。例えば、ガラス組成物へのさらなる添加剤により、ガラス物品の光学特性を変化させることができる。組成添加剤を用いないガラスは、可視光を用いた透過スペクトルおよび吸収スペクトルによって測定した際にほぼ無色透明であり得る。
実施形態が、以下の実施例によってさらに明らかにされる。
実施例１〜１２
実施例１〜１２は、本明細書に開示される実施形態にしたがって作製されたガラス組成物を示す。以下の表１に列挙される成分の所望のモル％を得るように原料を混合することによって、ガラス組成物を調製した。原料には、砂、アルミナ、メタリン酸アルミニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、マグネシア、および石灰石が含まれていた。２，５００ｇのこれらの原料のバッチを混合し、カバーされた白金るつぼ中で、１，６５０℃で一晩溶融し、次に、清浄なスチールテーブル上に注いだ。次に、得られた溶融物を、６００〜６２５℃で一晩焼き鈍した。ガラス物品を成形した後、それらを、測定された焼鈍し温度で一晩熱処理し、８時間にわたって４１０℃、４３０℃、または４５０℃のいずれかの温度の１００％の精製されたＫＮＯ３の浴に曝した。表面圧縮応力および圧縮応力層の深さ（ＤＯＬ）を含むガラスの様々な特性を測定した。それらの測定の結果が、以下の表１に示される。圧縮応力（ＣＳ）および層深さ（ＤＯＬ）を、各ガラス組成物のために補正した応力光係数を用いて、Ｏｒｉｈａｒａ ＦＳＭを用いて測定した。
実施例１〜１２は、本明細書に開示される実施形態にしたがって作製されたガラス組成物を示す。以下の表１に列挙される成分の所望のモル％を得るように原料を混合することによって、ガラス組成物を調製した。原料には、砂、アルミナ、メタリン酸アルミニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、マグネシア、および石灰石が含まれていた。２，５００ｇのこれらの原料のバッチを混合し、カバーされた白金るつぼ中で、１，６５０℃で一晩溶融し、次に、清浄なスチールテーブル上に注いだ。次に、得られた溶融物を、６００〜６２５℃で一晩焼き鈍した。ガラス物品を成形した後、それらを、測定された焼鈍し温度で一晩熱処理し、８時間にわたって４１０℃、４３０℃、または４５０℃のいずれかの温度の１００％の精製されたＫＮＯ３の浴に曝した。表面圧縮応力および圧縮応力層の深さ（ＤＯＬ）を含むガラスの様々な特性を測定した。それらの測定の結果が、以下の表１に示される。圧縮応力（ＣＳ）および層深さ（ＤＯＬ）を、各ガラス組成物のために補正した応力光係数を用いて、Ｏｒｉｈａｒａ ＦＳＭを用いて測定した。
比較例１〜１８
比較例１〜１８は、本明細書に開示される実施形態の範囲内でないガラス組成物を示す。比較例１〜１８のガラス組成物を、以下の表２に列挙される成分を用いたことを除いて、実施例１〜１２と同じように調製した。実施例１〜１２と同様に、比較例１〜１８の様々な特性を測定し、それらの測定の結果が以下の表２に示される。
比較例１〜１８は、本明細書に開示される実施形態の範囲内でないガラス組成物を示す。比較例１〜１８のガラス組成物を、以下の表２に列挙される成分を用いたことを除いて、実施例１〜１２と同じように調製した。実施例１〜１２と同様に、比較例１〜１８の様々な特性を測定し、それらの測定の結果が以下の表２に示される。
比較例１〜７は、様々な量のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、およびＮａ２Ｏを含むソーダ石灰ケイ酸塩ガラスを示す。圧縮応力および圧縮応力層の深さ（ＤＯＬ）の両方を増加させるために成分を変更した。しかしながら、これらの比較例に示されるように、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、およびＮａ２Ｏを単独で変更することによって、８００ＭＰａを超える圧縮応力および２０μｍ以上のＤＯＬを達成することはできなかった。
しかしながら、実施例１および２では、ＤＯＬを増加させるために、Ｋ２ＯをＣａＯの代わりに用いた。実施例４および５は、実施例１および２と同様のＫ２Ｏの量を有していたが、ＭｇＯおよびＳｉＯ２を増加させた一方、ガラス組成物中のＣａＯの量を減少させた。実施例４および５はまた、８００ＭＰａを超える圧縮応力および２０μｍを超えるＤＯＬを有していた。さらに、実施例４および５は、実施例１および２より高いＤＯＬを有していた。
比較例８〜１０では、Ｐ２Ｏ５を、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラス組成物中に導入して、ＤＯＬを増加させた。比較例８〜１０のＤＯＬが、比較例１〜７と比較して増加されたが、比較例８〜１０の圧縮応力は、８００ＭＰａをはるかに下回っていた。比較例１１〜１８では、ＣａＯ、ＭｇＯ、およびＰ２Ｏ５の量も変更しながら、圧縮応力およびＤＯＬの両方を向上させるようにＡｌ２Ｏ３の量を変更した。しかしながら、比較例１１〜１５および１８のいずれも、８００ＭＰａを超える圧縮応力および２０μｍ以上のＤＯＬの両方を有さず、比較例１７および１８は、８時間にわたって４３０℃または４５０℃でイオン交換した際、８００を超える圧縮応力を有さなかった。
対照的に、実施例７〜１５では、少量のＰ２Ｏ５を導入し、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、およびＣａＯの量を変更した。少量のＰ２Ｏ５は、これらの実施例のＤＯＬを、２０μｍを超えるまで増加させ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、およびＣａＯのバランスを取ることにより、８００ＭＰａを超える圧縮応力が得られた。しかしながら、比較例１４および１５に示されるように、比較例７〜１３のものからＰ２Ｏ５の量を減少させるだけでは、８００ＭＰａ以上の圧縮応力および２０μｍ以上のＤＯＬを得られなかった。そうではなく、実施例７〜１５では、８００ＭＰａ以上の圧縮応力および２０μｍ以上のＤＯＬを有するガラス組成物を得るように、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびＰ２Ｏ５の効果のバランスを取った。
表１および２に示される特性に加えて、実施例中のガラス組成物のそれぞれは、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスのみに従来は利用される低コストの方法によってガラス物品へと成形されることが可能であった。したがって、実施例１〜１５のガラス組成物は、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラス組成物と同様に低コストで、アルミノケイ酸塩ガラス組成物と同様に高い機械的強度を提供することが可能であった。
特許請求される主題の趣旨および範囲から逸脱せずに、本明細書に記載される実施形態に対する様々な変更形態および変形形態をなすことができることが当業者に明らかであろう。したがって、このような変更形態および変形形態が、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に含まれる限り、本明細書は、本明細書に記載される様々な実施形態の変更形態および変形形態を包含することが意図される。
Claims (10)
- ガラス物品において、
約４０モル％以上〜約６８モル％以下のＳｉＯ２；
約１１モル％以下のＡｌ２Ｏ３；
を含み、
約１：１以上〜約２：１以下のＲ２Ｏ：Ｒ’Ｏモル比；
約０．６：１以上〜約１．８：１以下のＭｇＯ：ＣａＯモル比；および
前記ガラス物品の少なくとも１つの面における圧縮応力層であって、約８００ＭＰａ以上、好ましくは、約９５０ＭＰａ以上〜約１，５００ＭＰａ以下の圧縮応力を有する圧縮応力層；
を有することを特徴とするガラス物品。 - 前記圧縮応力層の深さが、約２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のガラス物品。
- 前記圧縮応力層の前記深さが、約８０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のガラス物品。
- 約４モル％以上〜約９モル％以下のＭｇＯ；
約５７モル％以上〜約６５モル％以下のＳｉＯ２；
約２．５モル％以上〜約８モル％以下のＣａＯ；
約１２モル％以上〜約２０モル％以下のＮａ２Ｏ；
約１モル％以上〜約３．５モル％以下のＫ２Ｏ；および
約７モル％以上のＡｌ２Ｏ３
を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラス物品。 - 約０：１以上〜約０．１：１以下のＰ２Ｏ５：Ｒ’Ｏモル比を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のガラス物品。
- 約０．００１モル％以上〜約０．２００モル％以下のＳｎＯ２を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のガラス物品。
- 約１．３：１以上〜約２．３：１以下のＲ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３モル比を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のガラス物品。
- 前記ガラス物品が約１０，０００ポアズ（１，０００Ｐａ・ｓ）の粘度を有する温度が、約１，０００℃以上〜約１，２００℃以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のガラス物品。
- 前記ガラス物品のナトリウムとカリウムとの相互拡散率が、４１０℃でイオン交換される際、約１．４×１０−１１ｃｍ２／ｓ以上〜約４．０×１０−１１ｃｍ２／ｓ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のガラス物品。
- 約５４０ｋｇｆ／ｍｍ２以上〜約６４０ｋｇｆ／ｍｍ２以下のビッカース硬度を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のガラス物品。
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