JP2016529197A5 - - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第１１９条に基づき、２０１４年６月３０日出願の米国仮特許出願第６２／０１８，７３７号明細書、および２０１３年８月３０日出願の米国仮特許出願第６１／８７１，９８６号明細書に対する優先権の利益を主張する。本明細書は上記の米国仮特許出願の内容に依拠し、かつ上記の米国仮特許出願の内容は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、それぞれまたは両方がイオン交換プロセスによって強化され得るガラスセラミック、およびガラスセラミックに結晶化可能な前駆体ガラス；その製造方法、ならびにそれを含む物品に関する。特に本開示は、約２０重量％までの全結晶相、およびアナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せなどの結晶相を含む半透明または不透明ガラスセラミック、ならびにそのようなガラスセラミックを形成するために使用される前駆体ガラスに関する。
過去１０年間で、ノートパソコン、パーソナルデジタルアシスタント、ポータブルナビゲーションデバイス、メディアプレーヤー、携帯電話、ポータブルイベントリデバイス、ならびに他のそのようなデバイス（しばしば、「ポータブルコンピューティングデバイス」と呼ばれる）などの電子デバイスは、小型化、軽量化および機能的により強力になると同時に、集中化している。そのようなより小型のデバイスの開発および利用性に寄与する１つの因子は、これまでの電子部品サイズの縮小によって計算密度および動作速度を高める能力である。しかしながら、より小型で、より軽量で、かつ機能的により強力な電子デバイスへの傾向は、ポータブルコンピューティングデバイスのいくつかの構成要素の設計に関する継続的な課題を提示する。
特定の設計の課題に直面するポータブルコンピューティングデバイスと関連する構成要素としては、様々な内部／電子機器構成要素を収納するためのエンクロージャまたはハウジングが含まれる。この設計課題は、一般に、２つの矛盾する設計目標、すなわち、エンクロージャまたはハウジングをより軽量で、かつより薄型にすることが好ましいこと、ならびにエンクロージャまたはハウジングをより強く、かつより剛性にすることが好ましいことから生じる。より多くの重量を有する、より多くの締め具を用いる典型的により厚いプラスチック構造の、より強く、かつより剛性のエンクロージャまたはハウジングとは対照的に、締め具をほとんど用いない典型的に薄いプラスチック構造の、より軽量のエンクロージャまたはハウジングは、より可撓性となる傾向があるが、ゆがんで曲がる傾向を有する。都合の悪いことに、より強く、より剛性のプラスチック構造の重量の増加は、使用者の不満を招き、より軽い構造の曲がりおよびゆがみは、ポータブルコンピューティングデバイスの内部／電子機器構成要素に損害を与え得、これによって確実に使用者の不満を招くおそれがある。さらにまた、プラスチックは、それらの低い硬度のために容易に傷つけられるため、それらの外観は使用によって劣化する。
様々な他の用途で広範囲に使用されるガラスセラミックは、材料の既知の種類の１つである。例えば、ガラスセラミックは、クックトップ、調理器具および食器具、例えば、ボウル、ディナー用平皿などとして台所で広範囲に使用される。透明ガラスセラミックは、オーブンおよび／または炉の窓、光素子、ミラー基板などの製造において使用される。ガラスセラミックは、典型的に、ガラスマトリックス中で結晶相を核化および成長させるための特定の温度、特定の時間で結晶化可能となるように調製される前駆体ガラスを結晶化させることによって製造される。
いくつかの場合、不透明度および色などの特定の光学特性を有するポータブルコンピューティングデバイスで使用するためのガラスセラミック物品を形成することが望ましい。ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏガラスシステムに基づく既知のガラスセラミックとしては、主結晶相としてβ−石英固溶体（「β−石英ｓｓ」または「β−石英」）、あるいは主結晶相としてβ−スポジュメン固溶体（「β−スポジュメンｓｓ」または「β−スポジュメン」）のいずれかを有するものが含まれる。そのような既知のガラスセラミックは、所望の色を達成するために特定の熱処理条件を必要とし、かつ結晶の径および形状、ガラスに加えられる応力、ならびに残留ガラスの強度に起因し得るより低い強度を示す可能性がある。加えて、そのようなガラスセラミックは、高濃度の結晶相のため、望ましくない度合の脆性も示し得る。さらに、そのようなガラスセラミックは、フロート、スロットドローまたはフュージョンドローなどの高スループット形成法の使用を妨げる液相粘度を有する傾向がある。例えば、既知のガラスセラミックは、約１０ｋＰ（１ｋＰａ・ｓ）の液相粘度を有する前駆体ガラスから形成され、これは、１００ｋＰ（１０ｋＰａ・ｓ）より高いか、または２００ｋＰ（２０ｋＰａ・ｓ）より高い液相粘度が一般に必要とされるフュージョンドローにとって適切ではない。したがって、ガラスセラミックは、一般にフュージョン形成によって達成不可能な高い不透明度、様々な度合いの半透明度および表面光沢などの望ましい特性を示すが、そのようなガラスセラミックは、フュージョン形成プロセスによって達成される初期表面および薄さ（例えば、２ｍｍ以下）を利用することができない。
既存のエンクロージャまたはハウジングに関する上記の問題を考慮して、潜在的により費用効果的な方法で、ポータブルコンピューティングデバイス用の改善されたエンクロージャまたはハウジングを提供する、イオン交換可能であり、かつ高い液相粘度（すなわち、スロットドロー、フュージョンドローなどの形成方法を可能にする液相粘度）を有するガラスセラミックおよび前駆体ガラス材料が必要とされている。また、美学的に満足な方法で、軽量で強く、かつ剛性のエンクロージャまたはハウジングを作成することの設計課題に取り組みながら、改善された色特性（例えば、白色度）および／または他の不透明色を提供するそのような材料も必要とされている。
本開示の１つ以上の態様は、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を有するガラスセラミックまたはガラスセラミック物品に関する。１つ以上の実施形態において、本明細書に開示されるガラスセラミック物品は、ガラスセラミック物品の２０体積％までを含む全結晶相を含む。いくつかの実施形態において、ガラスセラミック物品は、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を含む。１つ以上の実施形態において、主結晶相は、約１０００ｎｍ以下、例えば、約５００ｎｍ以下、または約１００ｎｍ以下の小寸法を有する結晶を含む。主相における結晶の少なくとも一部分は、主要寸法、および約２以上の主要寸法対小寸法のアスペクト比を有してもよい。いくつかの場合、アスペクト比は約５以上でもよい。１つ以上の実施形態において、全結晶相は、ガラスセラミック物品の約２０重量％以下、約１２重量％以下または約５重量％以下でもよい。特定の例において、全結晶相は、アーマルコライトを含んでもよく、かつ全結晶相は、ガラスセラミック物品の５重量％を構成してもよい。
本明細書に記載されるガラスセラミックは、それらを形成することができるプロセスによって特徴づけられてもよい。そのようなガラスセラミックは、フロートプロセス、フュージョンプロセス、スロットプロセス、薄板圧延プロセス、またはそれらの組合せによって形成されてもよい。いくつかの実施形態において、ガラスセラミックは三次元形状に形成されてもよく、または三次元形状を有してもよい。１つ以上の実施形態において、前駆体ガラス組成物およびガラスの特性は、この処理適応性を決定し得る。ガラスセラミックは、約１０キロポアズ（ｋＰ）（１ｋＰａ・ｓ）以上、約２０ｋＰ（２ｋＰａ・ｓ）以上、約５０ｋＰ（５ｋＰａ・ｓ）以上または約１００ｋＰ（１０ｋＰａ・ｓ）以上の液相粘度を示してもよい。
１つ以上の実施形態において、ガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、約４５〜約７５モル％の範囲のＳｉＯ２、約４〜約２５モル％の範囲のＡｌ２Ｏ３、約０〜約１０（または約０．１〜約１０）モル％の範囲のＰ２Ｏ５、約０〜約８モル％の範囲のＭｇＯ、約０〜約３３モル％の範囲のＲ２Ｏ、約０〜約８モル％の範囲のＺｎＯ、約０〜約４モル％の範囲のＺｒＯ２、約０〜約１２モル％の範囲のＢ２Ｏ３、および約０．５〜約１２モル％の範囲の１種以上の核形成剤を含む。１つの変形形態において、核形成剤はＴｉＯ２を含んでもよい。別の変形形態において、組成物は、組成関係（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）が約−４〜約４の範囲であることを示す。１つ以上の実施形態において、Ｒ２Ｏは、Ｎａ２Ｏ、Ｌｉ２ＯおよびＫ２Ｏの１つ以上を含んでもよい。１つ以上の特定の実施形態において、組成物は、約０〜約１２モル％の範囲のＬｉ２Ｏ、約４〜約２０モル％の範囲のＮａ２Ｏ、および／または約０〜約２モル％の範囲のＫ２Ｏを含む。なおさらに特定の実施形態において、組成物は、約２モル％までのＳｎＯ２のゼロではない量、および／または約２モル％〜約１０モル％の範囲のＢ２Ｏ３を任意選択的に含んでもよい。
１つ以上の実施形態によるガラスセラミック物品は、圧縮応力層（「ＣＳ層」）であって、ガラスセラミック物品の表面からガラスセラミック物品の深さまで延在するＣＳ層を含んでもよい。ＣＳ層は、イオン交換プロセスによって形成されてもよい。本明細書で使用される場合、「イオン交換」または「ＩＸ」という用語は、ガラスセラミック（および／またはガラス）表面および／または容積に存在するイオンとは異なるイオン半径を有するイオンを含有する加熱された塩浴によってガラスセラミック（および／またはガラス）が処理されるイオン交換プロセスによって化学的に強化される、本明細書に開示されるガラスセラミック（および／またはガラス）を意味するように理解される。浴中の、半径がより小さくてもよいイオンは、ガラスセラミック（および／またはガラス）中のそれらのイオンを置き換える（または温度条件に従ってその逆）。そのようなイオン交換処理を受けるガラスセラミックおよびガラスは、本明細書中、「イオン交換（ＩＸ）ガラスセラミック」、または「イオン交換（ＩＸ）ガラス」と記載されてもよい。１つの変形形態において、ＣＳ層は、少なくとも約２００ＭＰａの圧縮応力を有する。ＣＳ層深さ（「ＤＯＬ」）は、少なくとも約１５μｍであってもよい。本明細書に開示されるガラスセラミック物品は、少なくとも１０ｋｇｆ（９８Ｎ）のビッカーズ押込み亀裂開始負荷を示し得る。
１つの変形形態において、本明細書に記載されるガラスセラミック物品は、様々な発光物を用いて分光光度計を使用して正反射率測定から決定されるＣＩＥＬＡＢ色空間座標で示される色を示す。一例において、発光物Ｄ６５を用いて分光光度計を使用して測定される場合、ガラスセラミック物品は、約−２〜約８の範囲のＣＩＥ ａ＊；約−７〜約３０の範囲のＣＩＥ ｂ＊；および約８５〜約１００の範囲のＣＩＥ Ｌ＊のＣＩＥＬＡＢ色空間座標を示す。別の例において、発光物Ｆ０２を用いて分光光度計を使用して測定される場合、ガラスセラミック物品は、約−１〜約０の範囲のＣＩＥ ａ＊；約−８〜約−３の範囲のＣＩＥ ｂ＊；および約８０〜約１００の範囲のＣＩＥ Ｌ＊のＣＩＥＬＡＢ色空間座標を示す。これらの色座標は、正反射率が測定において含まれるか、または排除される場合に示されてもよい。
本開示の第２の態様は、本明細書に記載されるガラスセラミック物品のガラス前駆体に関する。１つ以上の実施形態において、ガラス前駆体は、フュージョン成形可能な組成物を含むことによって特徴づけられ得るアルミノシリケートガラス前駆体でもよい。１つ以上の実施形態において、ガラス前駆体組成物は、約１０キロポアズ（ｋＰ）（１ｋＰａ・ｓ）以上、約２０ｋＰ（２ｋＰａ・ｓ）以上、約５０ｋＰ（５ｋＰａ・ｓ）以上または約１００ｋＰ（１０ｋＰａ・ｓ）以上の液相粘度を示す。１つの変形形態において、ガラス前駆体組成物は、約１４００℃未満、または約１２００℃未満、または約１１００℃未満の液相温度を示してもよい。ガラスセラミック物品は、当該技術分野において既知の方法を使用して評価した場合、これらの液相粘度または液相温度値を示してもよい。
本開示の第３の態様は、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を有するガラスセラミック物品の製造方法に関する。１つ以上の実施形態において、この方法は、約４５〜約７５モル％の範囲のＳｉＯ２、約４〜約２５モル％の範囲のＡｌ２Ｏ３、約０〜約１０モル％の範囲のＰ２Ｏ５、約０．０１〜約８モル％の範囲のＭｇＯ、約０〜約３３モル％の範囲のＲ２Ｏ、約０〜約８モル％の範囲のＺｎＯ、約０〜約４モル％の範囲のＺｒＯ２、約０〜約１２モル％の範囲のＢ２Ｏ３、および約０．５〜約１２モル％の範囲の１種以上の核形成剤を含む組成物を有するガラス物品のためのバッチを溶融させ、かつそのようなガラス物品を形成するステップを含む。形成されたガラス物品は、ガラス物品の形成において、約１０ｋＰ（１ｋＰａ・ｓ）以上または約２０ｋＰ（２ｋＰａ・ｓ）以上の液相粘度および約１４００℃未満の液相温度を示してもよい。１つ以上の実施形態において、この方法は、ガラス物品の焼鈍し温度よりも約５０℃高い温度〜約１１００℃の温度で、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を含むガラスセラミック物品の生成を引き起こすための期間にわたり、ガラス物品をセラミック化（ｃｅｒａｍｍｉｎｇ）するステップと、その後、ガラスセラミック物品を室温まで冷却するステップとをさらに含んでもよい。
１つの選択において、この方法は、ガラス物品および／またはガラスセラミック物品において、約２００ＭＰａ以上の圧縮応力を有するＣＳ層を形成するステップを含んでもよい。いくつかの実施形態において、ＣＳ層は、ガラス物品および／またはガラスセラミックの表面から、約１５μｍ以上のＤＯＬでガラス物品および／またはガラスセラミック内に延在する。ＣＳ層は、イオン交換処理によって形成されてもよい。
追加的な特徴および効果は、以下の詳細な説明で明らかにされ、および一部は、その記載から当業者に容易に明らかとなるか、または以下の詳細な説明、請求項、および添付の図面を含む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。
本明細書で明かにされる値のいずれの範囲も、範囲内の全て値を考慮し、かつその特定化された範囲内の実際の数値である終点を有するいずれかの部分範囲を列挙する請求項を支持するものとして解釈される。仮定的な実例となる実施例として、約１〜５の範囲の本開示における説明は、以下の範囲のいずれか：１〜５；１〜４；１〜３；１〜２；２〜５；２〜４；２〜３；３〜５；３〜４；および４〜５に請求項を支持するものとして考慮されるであろう。加えて、「である（ｉｓ）」、「である（ａｒｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの用語は、便宜上の用語であり、かつ用語を限定するものとして解釈されることはなく、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ）」などの用語を、適切であれば包括してもよいことが理解されよう。
本開示のこれらおよび他の態様、利点および顕著な特徴は、以下の記載、添付の図面および請求項から明らかになる。
本開示の例示的な態様および／または実施形態の以下の記載において、本開示の一部を形成し、例示によって本開示が実施されてもよい特定の態様および／または実施形態を示す添付の図面が参照される。これらの態様および／または実施形態は、当業者が本開示を実施することができるように十分詳細に記載されるが、それにもかかわらず、本開示の範囲の限定がそれによって意図されないことは理解される。本開示の関連技術分野における当業者に想到されるであろう、本明細書に例示される特徴の修正形態およびさらなる変更形態、ならびに本明細書に例示される原理の追加的な応用は、本開示の範囲内にあるものと考慮される。
前述のように、本開示の様々な態様および／または実施形態は、半透明および／または不透明として特徴づけられ得るガラスセラミックを含む物品に関する。いくつかの実施形態において、ガラスセラミックは白色の色を有してもよいが、他の色も考察される。ガラスセラミック材料は、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せの結晶相を含んでもよく、かつイオン交換可能であり得る。
本明細書に記載されるガラスセラミックは、様々な電子デバイスまたはポータブルコンピューティングデバイス、光拡散器、自動車、電気機器および建築的用途においても使用されてもよい。そのため、前駆体ガラスが、複雑な形状への処置と適合性となるように、十分低い軟化点、および／または十分低い熱膨張係数を有するように調製されることが望ましい。したがって、ガラスセラミックを形成するために使用される前駆体ガラスも興味深く、さらに詳細に本明細書に記載される。
本開示の１つ以上の態様によると、ガラスセラミックは、主結晶相としてアナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む。１つ以上である実施形態のガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、約４５〜約７５モル％の範囲のＳｉＯ２、約４〜約２５モル％の範囲のＡｌ２Ｏ３、約０〜約１０モル％の範囲のＰ２Ｏ５、約０〜約８モル％の範囲のＭｇＯ、約０〜約３３モル％の範囲のＲ２Ｏ、約０〜約８モル％の範囲のＺｎＯ、約０〜約４モル％の範囲のＺｒＯ２、約０〜約１２モル％の範囲のＢ２Ｏ３、および約０．５〜約１２モル％の範囲の１種以上の核形成剤を含んでもよい。ガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、Ａｓ２Ｏ３およびＳｂ２Ｏ３を本質的に含まなくてもよい。本明細書で使用される場合、「Ａｓ２Ｏ３およびＳｂ２Ｏ３を本質的に含まない」という用語は、ガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）が、約０．１重量％未満のＡｓ２Ｏ３またはＳｂ２Ｏ３を含むことを意味する。より詳細に記載されるように、ガラスまたはガラスセラミックの粘度および押込み亀裂開始負荷性能は、前駆体ガラス組成物によって影響される。
１つ以上の実施形態において、ＳｉＯ２は、本明細書に記載されるガラスセラミック物品（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）に、約４５〜約７５モル％、約４６〜約７５モル％、約４７〜約７５モル％、約４８〜約７５モル％、約４９〜約７５モル％、約５０〜約７５モル％、約５１〜約７５モル％、約５２〜約７５モル％、約５３〜約７５モル％、約５４〜約７５モル％、約５５〜約７５モル％、約５６〜約７５モル％、約５７〜約７５モル％、約５８〜約７５モル％、約５９〜約７５モル％、約６０〜約７５モル％、約６２〜約７５モル％、約４５〜約７４モル％、約４５〜約７３モル％、約４５〜約７２モル％、約４５〜約７１モル％、約４５〜約７０モル％、約４５〜約６９モル％、約４５〜約６８モル％、約４５〜約６７モル％、約４５〜約６６モル％、約４５〜約６５モル％、約４５〜約６４モル％、約４５〜約６３モル％、約４５〜約６２モル％、約４５〜約６１モル％、約４５〜約６０モル％、約４６〜約７０モル％、約４７〜約６８モル％、約４８〜約６６モル％、約４９〜約６４モル％、約５０〜約６２モル％、約５５〜約６５モル％、約５１〜約６４モル％、約５２〜約６３モル％、約５３〜約６２モル％、約５４〜約６２モル％、約５５〜約６１モル％、約５４〜約６０モル％、約６２〜約７０モル％、約６２〜約６９モル％、約６２〜約６８モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。
１つ以上の特定の実施形態において、ＳｉＯ２は、主なガラス形成酸化物として有用であるか、あるいはガラスまたはガラスセラミックが利用される用途のために十分な耐化学性を有するガラスもしくはガラスセラミックを提供する量で存在してもよい。例えば、ガラスまたはガラスセラミックは、タッチモジュール用途で利用されてもよく、およびそのような用途のために必要な耐化学性を示すために、かつ形成作業のために粘度を上昇させるために、十分なＳｉＯ２を含むように変性されてもよい。ＳｉＯ２の含有量は、前駆体ガラス組成物の溶融温度を制御するために制限されてもよい。いくつかの場合、過剰量のＳｉＯ２（例えば、ＳｉＯ２のみを有する前駆体ガラス組成物を含む）は、２００のポアズで、典型的なガラス溶融装置で達成できる温度を超えて清澄温度を動かす可能性があるため、そのような前駆体ガラス組成物から形成されるガラスまたはガラスセラミックから効率的に気泡を除去することができない。したがって、製造必要要件と良好な耐久性との釣合いをとるために、ＳｉＯ２含有量は、約４５モル％〜約７５モル％の範囲で維持されなければならない。いくつかの実施形態において、不透明な白色ガラスセラミックにセラミック化する最高液相粘度を有する前駆体ガラス組成物は、典型的に約５０モル％〜約６５モル％の範囲の量のＳｉＯ２を含む。本明細書で使用される場合、「セラミック化」および「熱処理」という用語は交換可能に使用され、ならびに「セラミック化する」および「熱処理する」という用語は交換可能に使用され、ガラスセラミックを形成するための前駆体ガラスの熱処理を含む。
１つ以上の実施形態において、Ａｌ２Ｏ３は、本明細書に記載されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）に、約４〜約２５モル％、約５〜約２５モル％、約６〜約２５モル％、約７〜約２５モル％、約８〜約２０モル％、約９〜約２５モル％、約１０〜約２５モル％、約１１〜約２５モル％、約１２〜約２５モル％、約４〜約２４モル％、約４〜約２２モル％、約４〜約２０モル％、約４〜約１８モル％、約４〜約１６モル％、約４〜約１４モル％、約４〜約１３モル％、約４〜約１２モル％、約５〜約２５モル％、約６〜約２４モル％、約７〜約２２モル％、約８〜約２０モル％、約９〜約１８モル％、約１０〜約１６モル％、約１０〜約１４モル％、約１１〜約１３モル％、約１２〜約１８モル％、約１２〜約１７モル％、約１２〜約１６モル％、約１２〜約１５モル％、または約１３〜約１５モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。Ａｌ２Ｏ３の量は、ガラス形成酸化物として有用であるように、および／または溶融前駆体ガラス組成物の粘度を制御するために調節されてもよい。
１つ以上の実施形態において、他のアルカリおよび／またはアルカリ土類と比較して、前駆体ガラス組成物中のＡｌ２Ｏ３の量を増加させることによって、ガラスまたはガラスセラミックの耐久性を改善または向上させることができる。理論に束縛されることはないが、ガラス組成物中のアルカリ酸化物（Ｒ２Ｏ）の濃度がＡｌ２Ｏ３の濃度以上である場合、アルミニウムイオンは、アルカリイオンが電荷平衡物として作用する四面体配位に見出されると考えられる。この四面体配位は、そのような前駆体ガラス組成物から形成されるガラスおよび／またはガラスセラミックのイオン交換を非常に向上させる。これは、本明細書の表Ｉで記載される実施例のいくつかで実証される。表Ｉで記載される他の実施例において、アルカリ酸化物の濃度は、アルミニウムイオンの濃度より低く、この場合、二価カチオン酸化物（ＲＯ）も、四面体アルミニウムを様々な範囲まで荷電平衡することができる。カルシウム、亜鉛、ストロンチウムおよびバリウムなどの元素は、２つのアルカリイオンと同等に機能するが、マグネシウムイオンの高い場の強さは、四面体配位においてアルミニウムを完全に荷電平衡させず、５配位および６配位アルミニウムの形成をもたらす。一般に、Ａｌ２Ｏ３は、アルカリイオンの比較的迅速な拡散率を可能にしながら、強いネットワーク骨格鎖（すなわち、高い歪点）を可能にするため、ＩＸ可能なガラスおよびガラスセラミックおいて重要な役割を果たすことができる。荷電平衡したガラスは、非常に変性されたガラスまたはペルアルミニウムガラスよりも高い粘度を有するため、Ａｌ２Ｏ３含有量は、粘度を制御するために有用となり得る。しかしながら、Ａｌ２Ｏ３の濃度が非常に高い場合、ガラス組成物は、より高い液相温度、したがって、より低い液相粘度を示し得るため、いくつかの実施形態のＡｌ２Ｏ３濃度は、約４モル％〜約２５モル％の範囲になければならない。さらにまた、過剰な変性剤または差異（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）は、四価酸化物の溶解性に非常に大きい影響を有する。過剰な変性剤が少ない場合、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２およびＳｎＯ２などの四価カチオンの溶解性は低い。これによって、結晶質ＴｉＯ２（アナターゼおよびルチル）を沈殿させることが容易になるが、また液相温度も上昇させる。したがって、適切な液相粘度を有する白色ガラスセラミックを達成するために、いくつかの実施形態の差異（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）は約−４モル％〜約４モル％の範囲でなければならない。５０ｋＰ（５ｋＰａ・ｓ）より高い液相粘度を有する白色ガラスセラミックを含む実施形態を達成するために、差異（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）は、約−２モル％〜約２モル％の範囲であってもよい。したがって、いくつかの実施形態において、Ａｌ２Ｏ３の量は、約１２モル％〜約１７モル％の範囲であってもよい。
１つ以上の実施形態において、本明細書に開示されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、約０〜約４０モル％、約０〜約３３モル％、約０〜約２０モル％、約８〜約２０モル％、または約１２〜約１８モル％の範囲の量で存在するアルカリ酸化物（Ｒ２Ｏ）（例えばＬｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏおよび／またはＣｓ２Ｏ）を含む。１つ以上の特定の実施形態において、アルカリ酸化物（Ｒ２Ｏ）は、約０．０１〜約４０モル％、約０．１〜約４０モル％、約１〜約４０モル％、約２〜約４０モル％、約３〜約４０モル％、約４〜約４０モル％、約５，〜約４０モル％、約６〜約４０モル％、約７〜約４０モル％、約８〜約４０モル％、約９〜約４０モル％、約１１〜約４０モル％、約１２〜約４０モル％、約０．０１〜約３９モル％、約０．０１〜約３８モル％、約０．０１〜約３７モル％、約０．０１〜約３６モル％、約０．０１〜約３５モル％、約０．０１〜約３４モル％、約０．０１〜約３３モル％、約０．０１〜約３２モル％、約０．０１〜約３１モル％、約０．０１〜約３０モル％、約０．０１〜約２９モル％、約０．０１〜約２８モル％、約０．０１〜約２７モル％、約０．０１〜約２６モル％、約０．０１〜約２５モル％、約０．０１〜約３３モル％、約０．１〜約３３モル％、約１〜約３３モル％、約２〜約３３モル％、約３〜約３３モル％、約４〜約３３モル％、約５〜約３３モル％、約６〜約３３モル％、約７〜約３３モル％、約８〜約３３モル％、約９〜約３３モル％、約１０〜約３３モル％、約１１〜約３３モル％、約１２〜約３３モル％、約０．０１〜約２０モル％、約０．１〜約２０モル％、約１〜約２０モル％、約２〜約２０モル％、約３〜約２０モル％、約４〜約２０モル％、約５〜約２０モル％、約６〜約２０モル％、約７〜２０モル％、約８〜約２０モル％、約９〜約２０モル％、約１０〜約２０モル％、約１０〜約１７モル％、約１１〜約２０モル％、約１２〜約２０モル％、約１〜約１９モル％、約１〜約１８モル％、約１〜約１７モル％、約１〜約１６モル％、約１〜約１５モル％、約１〜約１４モル％、約１〜約１３モル％、約１〜約１２モル％、約１〜約１９モル％、約２〜約１８モル％、約３〜約１７モル％、約４〜約１６モル％、約５〜約１５モル％、約６〜約１４モル％、約７〜約１３モル％、約８〜約１２モル％、または約９〜約１１モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。
１つ以上の実施形態において、アルカリ酸化物（Ｒ２Ｏ）の量は、低溶融温度および／または低液相温度を示すガラス組成物を提供するために調節されてもよい。理論に束縛されることはないが、アルカリ酸化物の追加によって、そのような前駆体ガラス組成物を含むガラスおよび／またはガラスセラミックの熱膨張係数（ＣＴＥ）が増大し、かつ／または耐化学性が低下し得る。場合によっては、これらの特性は、アルカリ酸化物の追加によって、劇的に変更され得る。またガラス組成物中の過剰なアルカリの量は、ガラスセラミックを形成するために使用されるセラミック化または熱処理温度およびガラスセラミックの得られた不透明度を決定することもできる。１つ以上の実施形態において、Ａｌ２Ｏ３の電荷の埋め合わせをする量を超える、ガラス組成物中のアルカリのわずかに過剰な量の含有（すなわち、０＜Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３≦１）によって、そのような前駆体ガラス組成物を含むガラスセラミック中の所望の白色を向上させることができ、かつ低い液相温度および高い液相粘度を示す前駆体ガラス組成物を提供することができる。そのうえ、いくつかの実施形態において、イオン交換を実行するために、交換される物品中の少量のアルカリ酸化物（例えば、Ｌｉ２ＯおよびＮａ２Ｏ）の存在によって、より大きいアルカリイオン（例えば、Ｋ＋）によるイオン交換が促進され得る（例えば、そのようなより大きいアルカリイオンを含有する溶融塩浴からのより大きいアルカリイオンによって、ガラス物品からより小さなアルカリイオンを交換する）。一般的に３種のイオン交換を実行することができる：Ｌｉ＋に対するＮａ＋の交換、Ｌｉ＋に対するＫ＋の交換、および／またはＮａ＋に対するＫ＋の交換。圧縮応力はガラスおよび／またはガラスセラミックから交換されるアルカリイオンの数と比例するため、前駆体ガラス組成物中の小さいアルカリ酸化物の十分に高い濃度は、そのようなガラス前駆体組成物を含むガラスおよび／またはガラスセラミックにおいて高い圧縮応力を生じるために有用であり得る。
特定の実施形態において、Ｎａ２Ｏは、約４〜約２０モル％、約５〜約２０モル％、約６〜約２０モル％、約７〜２０モル％、約８〜約２０モル％、約９〜約２０モル％、約１０〜約２０モル％、約１１〜約２０モル％、約１２〜約２０モル％、約４〜約１９モル％、約４〜約１８モル％、約４〜約１７モル％、約４〜約１６モル％、約４〜約１５モル％、約４〜約１４モル％、約４〜約１３モル％、約４〜約１２モル％、約４〜約１９モル％、約５〜約１８モル％、約６〜約１７モル％、約７〜約１７モル％、約８〜約１７モル％、約９〜約１７モル％、約１２〜約１４モル％、約１０〜約１３モル％、または約１１〜約１２モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。Ｎａ２Ｏは、本明細書に検討されるように、イオン交換およびＴｉＯ２溶解性と同様に、液相温度および粘度を制御するためにも重要である。したがって、いくつかの実施形態において、Ｎａ２Ｏの量は、イオン交換可能な白色ガラスセラミックを達成するためには約４モル％〜約２０モル％の範囲であり、かついくつかの実施形態において、１００ｋＰ（１０ｋＰａ・ｓ）より高い液相粘度を得るためには約８モル％〜約１７モル％の範囲である。
別の特定の実施形態において、Ｋ２Ｏは、約０〜約５モル％、約０〜約４モル％、約０〜約３モル％、約０〜約２モル％、約０〜約１モル％、約０．１〜約５モル％、約０．１〜約４モル％、約０．１〜約３モル％、約０．１〜約２モル％、約０．１〜約１モル％、約１〜約５モル％、約１〜約４モル％、約１〜約３モル％、約１〜約２モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。１つ以上の実施形態において、Ｋ２Ｏは、前駆体ガラスおよびガラスセラミックのＣＴＥ、屈折率およびイオン交換率を制御する。前駆体ガラスおよびガラスセラミックにおいて、Ｎａ＋イオン交換のためにＫ＋が利用される場合、Ｎａ２Ｏの濃度に代わってＫ２Ｏ濃度を高めることによって、圧縮応力に代わってイオン交換率が上昇する。したがって前駆体ガラス組成物がＮａ２Ｏを含み、Ｋ２Ｏを含まない場合、前駆体ガラスおよび／またはガラスセラミックにおいて、最も高い圧縮応力値が達成され、Ｋ＋イオンを交換するためのより多くのＮａ＋イオンが存在する。しかしながら、固定されたイオン交換時間に対するより深い、またはより大きいＤＯＬ値は、前駆体ガラス組成物のＮａ２Ｏの半分までがＫ２Ｏに置き換えられる場合、前駆体ガラスおよびガラスセラミックにおいて達成される。Ｋ２Ｏ量が非常に高い場合、セラミック化プロセス間のリューサイトの形成によって、液相温度が上昇し、かつ液相粘度が低下するため、いくつかの実施形態のＫ２Ｏ含有量は、そのような液相温度の上昇および液相粘度の減少を防ぐために、８モル％未満に制限される。いくつかの実施形態において、Ｋ２Ｏ含有量は、高い圧縮応力を達成するために、約２モル％未満に制限される。
１つ以上の実施形態において、Ｌｉ２Ｏは、約０〜約１５モル％、約０〜約１２モル％、約０〜約１０モル％、約０〜約５モル％、約０〜約２モル％、約０．１〜約１５モル％、約０．１〜約１２モル％、約０．１〜約１０モル％、約０．１〜約５モル％、約１〜約１５モル％、約１〜約１０モル％、約１〜約５モル％、または約１〜約２モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。１つ以上の実施形態において、Ｌｉ２Ｏは、ＩＸプロセスの間の主なアルカリとして使用されてもよい。Ｌｉ２Ｏ含有量が高い場合、スポジュメンまたはリチウムジシリケート結晶の形成によって液相温度が上昇し、したがって、いくつかの実施形態において、Ｌｉ２Ｏ含有量は、低い液相温度を維持するために、約１２モル％未満である。前駆体ガラスおよび／またはガラスセラミック中のＬｉ＋イオンは、Ｋ＋含有イオン交換浴を急速に汚染するため、前駆体ガラスおよび／またはガラスセラミック中にＫ＋イオンを交換するためにそのような浴を利用する実施形態において、前駆体ガラス組成物のＬｉ２Ｏ含有量は２モル％未満である。
１つ以上の実施形態において、ガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、以下の組成基準を示してもよい。Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏの合計は、約４〜約３０モル％、約４〜約２８モル％、約４〜約２６モル％、約４〜約２４モル％、約４〜約２２モル％、約４〜約２０モル％、約４〜約１８モル％、約４〜約１６モル％、約４〜約１４モル％、約４〜約１２モル％、約４〜約１０モル％、約６〜約３０モル％、約８〜約３０モル％、約１０〜約３０モル％、約１２〜約３０モル％、約１４〜約３０モル％、約１６〜約３０モル％、約１６〜約３０モル％、約１８〜約３０モル％、または約２０〜約３０モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲であってよい。
いくつかの実施形態において、本明細書に記載されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、以下の組成基準を示す：（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）の差異は、約−４〜約４モル％、約−３〜約３モル％、約−２〜約２モル％、約−０．５〜約２モル％、約−１〜約１モル％、約０〜約１モル％、および約−１〜約０モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲であってよい。１つ以上の実施形態において、（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）の差異の下限としては、−４．０、−３．５、−３．０、−２．５、−２．０、−１．５、−１．０、−０．５、−０．４、−０．３、−０．２、−０．１、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲を含み得る。１つ以上の実施形態において、（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）の差異の上限としては、３．５、３．０、２．５、２．０、１．５、１．０、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲を含み得る。
１つ以上の実施形態において、本明細書に記載されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、自己核形成することによって特徴づけられてもよい核形成剤を含む。本明細書で使用される場合、核形成剤は、それ自体が核の開始点として有用であり（すなわち、結晶相が生じる均質または非晶質相の不連続性または欠陥である）、かつ核形成を促進するために他の成分を必要としない、ガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）中の成分を指す。１つ以上の実施形態において、核形成剤は、本明細書に記載されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）中に、約０．１〜約１２モル％、約０．１〜約１０モル％、約０．１〜約７モル％、約１〜約５モル％、約２〜約４モル％の範囲で存在してもよい。１つ以上の実施形態において、核形成剤は、約０．１〜約１０モル％、約０．５〜約１０モル％、約１〜約１０モル％、約１〜約１２モル％、約１．５〜約１０モル％、約２〜約１０モル％、約２．５〜約１０モル％、約３〜約１０モル％、約０．１〜約７モル％、約０．５〜約７モル％、約１〜約７モル％、約１．５〜約７モル％、約２〜約７モル％、約２．５〜約７モル％、約３〜約７モル％、約０．１〜約６．５モル％、約０．１〜約６モル％、約０．１〜約５．５モル％、約０．１〜約５モル％、約２〜約５モル％、約０．１〜約４．５モル％、約０．１〜約４モル％、約０．５〜約４モル％、約１〜約４モル％、約１．５〜約４モル％、または約２〜約４モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲で存在してもよい。
１つ以上の実施形態において、ガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、（ガラスセラミックを形成するガラスの熱処理後）ルチルおよび／またはアナターゼの形態で存在しもよいＴｉＯ２を含む。１つ以上の実施形態において、ＴｉＯ２は、アナターゼおよびルチルの結晶を成長させるための第２の核形成剤を必要としないため、利用されかつ「自己核形成」する。ルチルおよびアナターゼは両方とも非常に高い屈折率、それぞれ、例えば、２．６０９および２．４８８を有し、そのため、低屈折率（例えば、約１．５）のガラスに包埋される場合、非常に効率的な光散乱がもたらされる。アナターゼおよびルチルは複屈折性でもあり、しばしば、高アスペクト比で伸長された粒子で成長させ、これによって、それらの散乱エネルギーがさらに高くなり、比較的低結晶含有量で高密度のオパール外観を有するガラスセラミックが得られる。本明細書で使用される場合、「高密度オパール」という用語は、透明ではないか、または肉眼で不透明に見えることができる材料を指す。高密度オパールとして特徴づけられる材料は、いくつかの光学装置を使用して評価する場合、厚さに応じて、完全に不透明ではないように見えてもよいが、いくらかの透明度がある（すなわち、いくらかの光が材料を通過する）ため、半透明に見えてもよい。この高密度オパールの外観は、約１２モル％未満の結晶化成分（例えば、ＴｉＯ２）を含むことによって、薄い（すなわち、約１ｍｍの厚さを有する）横断面で達成されることができる。ＴｉＯ２が利用される場合、より高濃度のＴｉＯ２（例えば、＞４モル％）では、約１ｍｍの厚さで非常に不透明なガラスセラミックが提供されるが、約３モル％のＴｉＯ２では、同じ厚さで不透明なガラスセラミックが提供される。ＴｉＯ２が３モル％未満である場合、前駆体ガラス組成物の液相粘度は非常に高くなり得るが、得られるガラスセラミックの不透明度が悪化し始め、半透明のガラスセラミックがもたらされる。さらに、ＴｉＯ２の濃度が非常に低い（＜１．５モル％）場合、前駆体ガラスは結晶化しない。したがって、いくつかの実施形態のＴｉＯ２含有量は、望ましい不透明度および液相粘度を提供するために、約１モル％〜約１２モル％の範囲であり、かついくつかの実施形態は、約２モル％〜約５モル％、約２モル％〜約４．５モル％、または約２モル％〜約４モル％のＴｉＯ２を含む。いくつかの実施形態において、ガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、アーマルコライト相を生じるために、約２モル％以上のＴｉＯ２を含む。いくつかの実施形態において、ＴｉＯ２の量は、約３モル％以上であってもよい。
１つ以上の特定の実施形態において、核形成剤は、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、チタン、白金、金、ロジウムおよび当該技術分野において既知の他の核形成剤を含んでもよい。１つ以上の実施形態において、核形成剤、特に、ＺｒＯ２は、約０〜約４モル％、約０〜約３モル％、約０〜約２モル％、約０〜約１モル％、約０．１〜約４モル％、約０．１〜約３モル％、約０．１〜約２モル％、約０．１〜約１モル％、約１〜約４モル％、約１〜約３モル％、約１〜約２モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲で存在してもよい。白金、金、ロジウム、銀およびイリジウムなどの貴金属は、非常に有効であり得るが、高価であり得るため、典型的に、０．００５モル％〜約０．１モル％の非常に低い濃度で使用される。
１つ以上の実施形態において、本明細書に開示されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、１種以上の二価カチオン酸化物、例えば、アルカリ土属酸化物および／またはＺｎＯを含んでもよい。そのような二価カチオン酸化物は、前駆体ガラス組成物の溶融挙動を改善するために含まれてもよい。イオン交換性能に関して、二価カチオンの存在は、アルカリ移動度を減少させるように作用する。より大きい二価カチオン酸化物（例えば、ＣａＯ、ＳｒＯおよびＢａＯ）が利用される場合は、イオン交換性能に対する悪影響があり得る。さらにまた、より小さい二価カチオン酸化物は、一般に、より大きい二価カチオン酸化物よりも、ＩＸガラスおよび／またはＩＸガラスセラミックにおける圧縮応力を発達させるために有用である。したがって、ＭｇＯおよびＺｎＯなどの二価カチオン酸化物は、アルカリ拡散率に対する悪影響を最小化しながら、改善された応力緩和に関して利点を提供することができる。しかしながら、高濃度のＭｇＯおよびＺｎＯが利用される場合、そのような二価カチオン酸化物が、それぞれ、フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）、ガーナイト（ＺｎＡｌ２Ｏ４）またはウイレマイト（Ｚｎ２ＳｉＯ４）を形成する傾向があり得、したがって、液相温度が非常に急速に上昇する原因となる。ガラスセラミックの１つ以上の実施形態において、本明細書に開示されるガラスおよび／または前駆体ガラス組成物は、唯一の二価カチオン酸化物としてＭｇＯおよび／またはＺｎＯを組み込んでもよく、かつ任意選択的に、他の二価カチオン酸化物を排除してもよい。したがって、いくつかの実施形態のＭｇＯおよびＺｎＯ含有量は、適切な液相温度を維持するために８モル％未満であり、かついくつかの実施形態において、イオン交換性能を向上させるために５モル％未満である。
１つ以上の実施形態において、本明細書に開示されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）中、ＭｇＯは、約０〜約８モル％、約０〜約６モル％、約０〜約４モル％、約０〜約３．５モル％、約０〜約３モル％、約０〜約２．５モル％、約０〜約２モル％、約０〜約１．５モル％、約０〜約１モル％、約０．１〜約４モル％、約０．１〜約３．５モル％、約０．１〜約３モル％、約０．１〜約２．５モル％、約０．１〜約２モル％、約０．１〜約１．５モル％、約０．１〜約１モル％、約０．５〜約３．５モル％、約１〜約３モル％、１．５〜約２．５モル％、約２〜約６モル％、または約２〜約４モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲で存在してもよい。例えば、典型的に約２．３であるアーマルコライトの高い屈折率は、ガラスセラミックにおいて白色の不透明な色を提供する。
１つ以上の実施形態において、本明細書に開示されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）中、ＺｎＯは、約０〜約８モル％、約０〜約７モル％、約０〜約６モル％、約０〜約５モル％、約０〜約４モル％、約０〜約３．５モル％、約０〜約３モル％、約０〜約２．５モル％、約０〜約２モル％、約０〜約１．５モル％、約０〜約１モル％、約０．１〜約５モル％、約０．１〜約４モル％、約０．１〜約３．５モル％、約０．１〜約３モル％、約０．１〜約２．５モル％、約０．１〜約２モル％、約０．１〜約１．５モル％、約０．１〜約１モル％、約０．５〜約４．５モル％、約１〜約４モル％、１．５〜約３．５モル％、または約２〜約３モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲で存在してもよい。
本明細書に開示されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）の１つ以上の実施形態は、Ｐ２Ｏ５を含んでもよい。例えば、Ｐ２Ｏ５は、約０〜約１０モル％、約０〜約９モル％、約０〜約８モル％、約０〜約７モル％、約０〜約６モル％、約０〜約５モル％、約０〜約４モル％、約０〜約３モル％、約０〜約２モル％、約０．１〜約１０モル％、約０．１〜約９モル％、約０．１〜約８モル％、約０．１〜約７モル％、約０．１〜約６モル％、約０．１〜約５モル％、約１〜約１０モル％、約１〜約９モル％、１〜約８モル％、約１〜約７モル％、約１〜約６モル％、約１〜約５モル％、約１．５〜約１０モル％、約２〜約１０モル％、約２．５〜約１０モル％、約３〜約１０モル％、約３．５〜約１０モル％、約４〜約１０モル％、約４．５〜約１０モル％、約５〜約１０モル％、約５．５〜約１０モル％、約６〜約９．５モル％、約６〜約９モル％、約６〜約８．５モル％、または約６〜約８モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。Ｐ２Ｏ５は、イオン交換率を上昇させ、前駆体ガラスを軟化し、ダメージ耐性を改善し、そのうえ、得られるガラスセラミックの色を制御する。いくつかの実施形態において、Ｐ２Ｏ５は、前駆体ガラスの過剰軟化を防ぐため、約１２モル％未満の量で存在する。Ｐ２Ｏ５の量が約６モル％未満である場合、得られるガラスセラミックは、ＴｉＯ２およびＰ２Ｏ５が存在する量次第で、黄色、青色、茶色または色合いを示す傾向があり、ダメージ耐性は減少する。１つ以上の実施形態において、Ｐ２Ｏ５の量は、約６モル％〜約９モル％の範囲で維持される。
本明細書に開示されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）の１つ以上の実施形態は、Ｂ２Ｏ３を含んでもよい。例えば、Ｂ２Ｏ３は、１モル％まで、あるいは約０〜約１２モル％、約０〜約１０モル％、約０〜約８モル％、約０〜約６モル％、約０〜約４モル％、約０〜約２モル％、約０．１〜約１２モル％、約０．１〜約１０モル％、約０．１〜約８モル％、約０．１〜約６モル％、約０．１〜約４モル％、約０．１〜約２モル％、約０．０１〜約１モル％、約０．１〜約１モル％、約１〜約１２モル％、約２〜約１２モル％、約２〜約１０モル％、約２〜約５モル％、約１〜約３モル％、約２〜約４モル％、約８〜約１２モル％、約８〜約１０モル％、約９〜約１０モル％、または約４〜約１０モル％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。
１つ以上の実施形態において、Ｂ２Ｏ３および／またはＰ２Ｏ５の量は、ガラスおよび／またはガラスセラミックの所望のダメージ耐性に基づいて調節されてもよい。理論によって束縛されないが、Ｂ２Ｏ３およびＰ２Ｏ５は、溶融粘度を低下させることができ、ジルコン分解粘度（すなわち、ジルコンが分解してＺｒＯ２を形成する粘度）を抑制するために効果的に有用となる。Ｐ２Ｏ５は、拡散率を改善することができ、イオン交換時間を減少させることができる。しかしながら、いくつかの例において、ホウ素およびリンによって形成される弱い構造は、圧縮応力能力をいくらか犠牲にし、この影響はＰ２Ｏ５の存在のため顕著となる可能性がある。Ｐ２Ｏ５を含有することによって、白色を有するガラスセラミックが得られる。いくつかの実施形態において、特定の量のＢ２Ｏ３の含有によって、青みがかった灰色を有するガラスセラミックがもたらされ得る。
いくつかの実施形態において、前駆体ガラスへのＢ２Ｏ３の追加は、得られるガラスのダメージ耐性を改善する。ホウ素がアルカリ酸化物または二価カチオン酸化物によって荷電平衡されない場合、それは、ガラス構造を開放することができる三面体配位状態になる。三面体配位されたホウ素の周囲の網状構造の結合が、剛性でなく、弱くなる傾向があるため、したがって、ガラスは亀裂形成の前にいくらかの変形に耐えることができるため、三面体配位されたホウ素の周囲の網状構造は、四面体廃位されたホウ素の周囲の網状構造ほど剛性ではない。ホウ素の量は、液相温度における粘度の低下を防ぐように制限されなければならず、このことは、フュージョン形成および他のそのような形成法の使用を妨げるおそれがある。
１つ以上の実施形態によるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、約２モル％までのゼロ以外の量のＳｎＯ２をさらに含んでもよい。例えば、ＳｎＯ２は、約０〜約２、約０〜約１、約０．０１〜約２、約０．０１〜約１、約０．１〜約２、約０．１〜約１、または約１〜約２の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。ＳｎＯ２は、気泡を減少させて、ガラス品質を改善する清澄剤として有用であるが、高濃度でＴｉＯ２溶解性に匹敵し得る。ＳｎＯ２が清澄剤として使用される実施形態において、これは、ＴｉＯ２溶解性および液相線に悪影響を与えることなく品質を改善するために、約０．０１モル％〜約２モル％、または約０．０７モル％〜約１．２モル％の範囲で存在してもよい。
本明細書に開示されるガラスセラミック（および／または前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラス）は、Ａｓ２Ｏ３およびＳｂ２Ｏ３を本質的に含まなくてもよい。本明細書で使用される場合、「Ａｓ２Ｏ３およびＳｂ２Ｏ３を本質的に含まない」という用語は、ガラスセラミック（またはガラス組成物）が、約０．１重量％未満のＡｓ２Ｏ３またはＳｂ２Ｏ３を含むことを意味する。
１つ以上の実施形態において、ガラスセラミックは、約２０重量％までのゼロ以外の重量パーセントの全結晶相を含んでもよい。１つ以上の実施形態において、全結晶相は、ガラスセラミック中に、約０．１〜約２０重量％、約０．１〜約１８重量％、約０．１〜約１６重量％、約０．１〜約１４重量％、約１〜約２０重量％、約２〜約２０重量％、約４〜約２０重量％、約６〜約２０重量％、約８〜約２０重量％、約１０〜約２０重量％、約１〜約９重量％、約２〜約８重量％、約３〜約７重量％、約４〜約７重量％、約５〜約７重量％、または約６〜約７重量％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲で存在してもよい。１つ以上の実施形態において、全結晶相は、約１２重量％以下または約５重量％以下のガラスセラミック物品を含んでもよい。前駆体ガラス組成物の成分の量は、全結晶相の所望の量を形成するために調節されてもよい。１つ以上の特定の実施形態において、ＴｉＯ２の量は、結晶相の所望の量を提供するために調節されてもよい。理論によって束縛されることなく、本明細書に開示される結晶相の部分は、ガラスのように機能するガラスセラミックを提供する。例えば、これらの低結晶化度ガラスセラミックは、その部分がセラミック化され、ガラス相が重量パーセントを支配し、したがって、ガラスセラミックのほとんどの熱物理特性を決定するようになった後、改質、屈曲または溶融が可能である。いくつかの実施形態において、結晶相は、局所的領域で結晶の径が小さいか、または結晶が存在しないことが可能であるように、低く考慮されてもよい。１つ以上の特定の実施形態において、いくつかの局所的領域の結晶は、１つ以上のナノメートル規模の寸法の径を有してもよい。本明細書に開示される実施形態において、ガラスセラミックは、フュージョン形成技術、あるいはガラス様特性またはガラス材料が典型的に示す特性を示すように形成される材料を必要とする他の技術を使用して形成されてもよい。
一例において、本明細書に開示されるガラスセラミックが示すガラス様特性は、改善された押込み亀裂開始負荷性能を含む。理論によって束縛されることなく、本明細書に開示されるガラスセラミックの１つ以上の実施形態は、押込み亀裂開始負荷の結果が、ガラス材料が同様に試験される場合に得られる結果と同様であるため、ガラス様特性を示す。したがって、１つ以上の実施形態によるガラスセラミックは、他の既知のガラスセラミックより大きいガラス相を示し、したがって、より高い結晶相の重量パーセントまたはより大きい結晶が存在する場合、その他の場合に利用され得えない既知のガラス形成技術を使用して形成することができる。より多量の結晶相（重量％）を有する既知のガラスセラミックにおいて、前駆体ガラス組成物中に存在する結晶は、より数が多くてもよく、または径がより大きくてもよく、したがって、ガラスセラミックを形成するために利用可能なプロセスは、結晶および／または結晶相の存在によって制限されてもよい。
１つ以上の実施形態において、主結晶相は、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含んでもよい。本明細書で使用される場合、「主結晶相」という語句は、そのような結晶相が、本明細書に記載されるガラスセラミック中の全ての結晶相の最大重量パーセントを構成することを意味する。例えば、１つ以上の実施形態において、アナターゼ結晶相は、ガラスセラミック中の全ての結晶相の最大重量パーセントを含んでもよい。他の実施形態において、ルチル結晶相は、ガラスセラミック物品中の全ての結晶相の最大重量パーセントを含んでもよい。なお他の実施形態において、アナターゼ結晶相、ルチル結晶相およびアーマルコライト結晶相のいずれか２つまたは３つ全ての組合せは、ガラスセラミック物品中の全ての結晶相の最大重量パーセントを含んでもよい。
１つ以上の特定の実施形態において、アナターゼ、ルチルおよびアーマルコライトは、個々に、または組合せのいずれかで、ガラスセラミックの全結晶相の１００重量％までの量で存在してもよい。１つ以上の他の実施形態において、アナターゼ、ルチルおよびアーマルコライトは、個々に、または組合せのいずれかで、ガラスセラミックの全結晶相の約０．１〜約９０重量％、約１〜約９０重量％、約１〜約８０重量％、約１〜約７０重量％、約１〜約６０重量％、約１０〜約１００重量％、２０〜約１００重量％、約３０〜約１００重量％、約４０〜約１００重量％、約２０〜約９０重量％、約３０〜約８０重量％、約４０〜約７０重量％、約５０〜約６０重量％、または約３０〜約４０重量％の範囲、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の量で存在してもよい。
全結晶相におけるアナターゼ、ルチルおよび／またはアーマルコライトの量は、前駆体ガラス組成物中のＴｉＯ２および／またはＢ２Ｏ３の量を調節することによって変更されてもよい。ＴｉＯ２の量が減少した場合、ルチル、アナターゼおよび／またはアーマルコライト以外の他の結晶相がガラスセラミック中で形成してもよい。その他に本明細書に記載されるように、アナターゼおよび／またはルチルおよび／またはアーマルコライト以外の他の結晶相は、より低い屈折率を示し得、したがって、主結晶相としてアナターゼおよび／またはルチルおよび／またはアーマルコライトを含有するガラスセラミックと同じ輝度または白さを示さないことができるガラスセラミックを提供し得る。例えば、典型的に約２．３のアーマルコライトの高い屈折率は、ガラスセラミックにおいて白色の不透明な色を提供する。いくつかの例において、アナターゼ、ルチルおよびアーマルコライトのいずれか１つ以上の組み合わせられた量は、約２０重量％未満、約１５重量％未満、約１２重量％未満、約１０重量％未満または約５重量％未満に制限されるが、ガラスセラミックの約０．１重量％より多い。
いくつかの実施形態において、主結晶相に存在する結晶は、さらに特徴づけられてもよい。結晶は、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せでもよい。いくつかの実施例において、主結晶相の結晶の少なくとも一部分は、約１０００ｎｍ以下、約５００ｎｍ以下または約１００ｎｍ以下の小寸法を有する。いくつかの実施形態において、小寸法は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約１０ｎｍ〜約５００ｎｍ、約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約１ｎｍ〜約２００ｎｍ、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍ、約２０ｎｍ〜約２００ｎｍ、約３０ｎｍ〜約２００ｎｍ、約４０ｎｍ〜約２００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約２００ｎｍ、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲であってよい。主相の結晶の少なくとも一部分は、結晶の大寸法対結晶の小寸法の比率として定義されるアスペクト比を有してもよい。いくつかの場合、アスペクト比は、約２以上または約５以上であってもよい。
ガラスセラミック物品の他の結晶相は、ネフェリン、β−スポジュメン、β−石英、β−ユークリプタイト、スピネル、Ｎａ２Ｃａ３Ａｌ２（ＰＯ４）２（ＳｉＯ４）２、Ｃａ（ＰＯ３）２、Ｃａ２ＳｉＯ４、Ｃａ２．６Ｍｇ０．４（ＰＯ４）２などを含んでもよい。１つ以上の実施形態において、アナターゼ、ルチルおよび／またはアーマルコライト以外の結晶相は、少数として特徴づけられてもよい。１つ以上の実施形態において、少数結晶相の量は、明るい白色を示すガラスセラミックを提供するために最小化されてもよい。理論によって束縛されることなく、本明細書に記載されるものなどの少数結晶相が、望ましくない他の色または光学特性を導入し得ると考えられる。１つ以上の実施形態において、少数結晶相は、望ましい明るい白色を提供しないより低い屈折率を示し得る。したがって、１つ以上の実施形態において、少数結晶相の重量パーセントは、ガラスセラミックの白色度および／または輝度を調節するために変更されるか、または最小化さえされてもよい。１つ以上の他の実施形態において、少数結晶相の重量パーセントは、ガラスセラミックの機械的特性を調節するために増減されてもよい。
不透明度を達成するために、（ルチル、アナターゼおよび／またはアーマルコライト以外の）これらの他の結晶相は、不透明度のために十分な光学散乱を達成するために、それらの数密度によって乗算される、それらの径の十分な積を有する必要があり得る。大きい結晶は、材料を弱体化させ、それらの有用性を低下させる欠陥となり得る。しかしながら、アナターゼ、ルチルおよびアーマルコライトは、高い屈折率、複屈折を有し、しばしば、より低い重量パーセントフラクションで光学不透明度を与える結晶のような伸長した針で成長する。アナターゼ、ルチルおよびアーマルコライトは効率的に散乱するため、不透明材料は、ガラスセラミックの機械強度が劣化しないように、小結晶によって製造されることができる。さらにまた、アナターゼ、ルチルおよびアーマルコライトの伸長された粒子は、ガラスセラミックを強靭化するために有用である。例えば、図１に示すように、ＴｉＯ２の量が増加すると破壊靱性が向上する。
本明細書に開示されるガラスセラミックは、約３８０ｎｍ〜約７８０ｎｍの波長範囲で厚さ０．８ｍｍに対して≧８５％の不透明性および平均不透明度％を示し得る。１つ以上の実施形態において、平均不透明度は、３８０ｎｍ〜約７８０ｎｍの可視波長範囲において、８６％以上、８７％以上、８８％以上８９％以上、約９０％より高く、約９１％より高く、約９２％より高く、約９３％より高く、約９４％より高く、約９５％より高く、約９６％より高く、約９７％より高く、さらには約９８％より高い。不透明度は、分光光度計（例えば、モデル番号Ｃｏｌｏｒ ｉ７でＸ−ｒｉｔｅによって供給される分光光度計および種々の発光物（例えば、Ｆ０２、Ｄ６５、Ａ−１０）を用いて、コントラスト比法を使用して測定される。試料の不透明度は、淡色バッキングおよび暗色バッキングにおいて測定された。
本明細書に記載されるガラスセラミックは、それらを形成することができるプロセスによって特徴づけられてもよい。そのようなガラスセラミックは、フロートプロセス、フュージョンプロセス、スロットドロープロセス、薄板圧延プロセス、またはそれらの組合せによって形成されてもよい。いくつかの実施形態において、ガラスセラミックは三次元形状に形成されてもよく、または三次元形状を有してもよい。１つ以上の実施形態において、ガラスセラミックを形成するために使用される前駆体ガラス組成物およびガラスの特性（例えば、粘度）は、この処理適応性を決定し得る。
なおさらなる態様において、ガラスセラミックおよび／または前駆体ガラスの表面の少なくとも一部分は、例えば、ＩＸプロセスによって強化することができる。言い換えると、本明細書に記載されるガラスセラミックおよび／または前駆体ガラスの表面の少なくとも一部分は、イオン交換可能であるか、またはＩＸ処理に適応され、したがって、ＩＸガラスセラミックまたはＩＸガラスを生じる。１つ以上の実施形態において、ＩＸガラスセラミックおよび／またはＩＸガラスは、ガラスセラミックおよび／またはガラスの表面から、ガラスセラミックおよび／またはガラス内のＤＯＬまで延在するＣＳ層を含んでもよい。１つの変形形態において、ＣＳ層は、少なくとも約２００ＭＰａ、少なくとも約２５０ＭＰａ、少なくとも約３００ＭＰａ、少なくとも約３５０ＭＰａ、少なくとも約４００ＭＰａ、少なくとも約４５０ＭＰａ、少なくとも約５００ＭＰａ、少なくとも約５５０ＭＰａ、少なくとも約６００ＭＰａ、少なくとも約６５０、少なくとも約７００ＭＰａ、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲の圧縮応力を示してもよい。別の実施形態において、ＤＯＬは、約１５μｍ以上、約２０μｍ以上、約２５μｍ以上、約３０μｍ以上、約３５μｍ以上、約４０μｍ以上、約４５μｍ以上、約５０μｍ以上、または約７５μｍ以上であってもよい。上限は、約１００μｍまたは１５０μｍまで（それらを含む）、ならびにその間の全ての範囲および部分的範囲であってもよい。
１つ以上の実施形態において、ガラスセラミックは、本明細書に開示される組成物とは異なる組成物から製造される他のガラスセラミック物品よりも高い割合でＩＸ可能である。その他に本明細書に記載されるとおり、１つ以上の実施形態において、Ｐ２Ｏ５の含有は、Ｐ２Ｏ５を含まない他の前駆体ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラスと比較して、より迅速なイオン交換を促進する。
なお、単一ステップのＩＸプロセスに加えて、向上した性能のために設計されたＩＸプロフィールを作成するために複数のＩＸ手順が利用されてもよい。すわなち、異なるイオン濃度で調製されるＩＸ浴を使用することによって、または異なるイオン半径を有する異なるイオン種を使用して調製される複数のＩＸ浴を使用することによって、応力プロフィールは選択されたＤＯＬに作成される。
１つ以上の実施形態によるガラスセラミックは、優れた機械特性を示し得る。例えば、ガラスセラミック物品は、ビッカーズインデンターを使用して測定されるような高い亀裂開始閾値を示し得る（「ビッカーズ押込み亀裂開始閾値」）。そのようなガラスセラミックは、ＩＸガラスセラミック物品でもよい。１つ以上の実施形態において、ガラスセラミックは、少なくとも約１０ｋｇｆ（９８Ｎ）のビッカーズ押込み亀裂開始負荷を示してもよい。１つ以上の特定の実施形態において、ガラスセラミックは、少なくとも約１５ｋｇｆ（１４７Ｎ）または少なくとも約２０ｋｇｆ（１９６Ｎ）のビッカーズ押込み亀裂開始負荷を示してもよい。そのようなガラスセラミックは、約４１０℃の温度を有する浴において、１時間、２時間、または４時間にわたり本明細書に記載されるようにイオン交換されるＩＸガラスセラミックでもよい。
１つ以上の実施形態において、ガラスセラミックは、白色を示してもよく、または本質的に白色として特徴づけられてもよい。本明細書で使用される場合、「本質的に白色」という用語は、ガラスセラミックが、分光光度計および種々の発光物を使用して正反射率測定から決定されるＣＩＥＬＡＢ色空間座標で示される色を有することを意味する。例えば、発光物Ｄ６５を使用して測定する場合、ガラスセラミックは、約−２〜約８の範囲のＣＩＥ ａ＊；約−７〜約３０の範囲のＣＩＥ ｂ＊；および約８５〜約１００の範囲のＣＩＥ Ｌ＊のＣＩＥＬＡＢ色座標を示し得る。いくつかの実施形態において、発光物Ｆ０２またはＤ６５を用いて分光光度計を使用して測定する場合、ガラスセラミックは、約−１〜約０の範囲のＣＩＥ ａ＊；約−８〜約−３の範囲のＣＩＥ ｂ＊；および約８０〜約１００の範囲のＣＩＥ Ｌ＊のＣＩＥＬＡＢ色空間座標を示し得る。これらの値は、正反射率が測定の間に含まれるか、または排除される場合に得られてもよい。さらに、ガラスセラミックは、ガラスセラミックを形成するために利用される処理条件が変更された場合であっても、本質的に白色の色を示す。例えば、熱処理温度が１００℃変動した場合さえも、ガラスセラミックは本質的に白色の色を示す。１つの変形形態において、本質的に白色の色は、熱処理温度が５℃、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃、９０℃および９５℃より大きく変動した場合、ガラスセラミックによって示される。
１つ以上の実施形態において、ガラスセラミックは、白色以外の色または色合いを示してもよい。そのような実施形態において、遷移金属イオンなどの金属イオン、ならびにＣｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｆｅ、Ｂｉ、Ｎｉ、Ｖ、Ｓｅの酸化物および当該技術分野において既知の他の酸化物の形態の着色剤が前駆体ガラスに存在してもよい。
前駆体ガラス組成物およびガラス
本開示の第２の態様は、本明細書に記載されるガラスセラミックを形成するために利用される前駆体ガラス組成物、およびそれを含むガラスに関する。１つ以上の実施形態によるガラスセラミックは、その他にガラスセラミックに関して本明細書に記載される前駆体ガラス組成物を有するアルミノシリケートガラスなどのガラスから形成されてもよい。
前駆体ガラス組成物およびガラス
本開示の第２の態様は、本明細書に記載されるガラスセラミックを形成するために利用される前駆体ガラス組成物、およびそれを含むガラスに関する。１つ以上の実施形態によるガラスセラミックは、その他にガラスセラミックに関して本明細書に記載される前駆体ガラス組成物を有するアルミノシリケートガラスなどのガラスから形成されてもよい。
１つ以上の実施形態において、ガラス組成物は、例えば、ダウンドローイングによってガラス物品に形成された場合、約２０ｋＰ（２ｋＰａ・ｓ）以上の液相粘度、および約１４００℃未満の液相温度を示す。前駆体ガラス組成物は、少なくとも約２０キロポアズ（ｋＰ）（２ｋＰａ・ｓ）の液相粘度および約１４００℃未満の液相温度を示すガラス物品に形成されてもよい。１つの変形形態において、ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラスは、その間の全ての範囲および部分的範囲を含む、少なくとも約２０ｋＰ（２ｋＰａ・ｓ）以上、２２ｋＰ（２．２ｋＰａｖ）以上、２４ｋＰ（２．４ｋＰａ・ｓ）以上、２６ｋＰ（２．６ｋＰａ・ｓ）以上、２８ｋＰ（２．８ｋＰａ・ｓ）以上、３０ｋＰ（３ｋＰａ・ｓ）以上または約５０ｋＰ（５ｋＰａ・ｓ）以上の液相粘度を示し得る。別の変形形態において、ガラス組成物および／またはそのような組成物を含むガラスは、その間の全ての範囲および部分的範囲を含む、約１３５０℃以下、１３００℃以下、１２５０℃以下、１２００℃以下、１１５０℃以下、１１００℃以下、１０５０℃以下、１０００℃以下、９５０℃以下、９００℃以下の液相温度を示し得る。前駆体ガラス組成物、およびそのような組成物を含むガラスは、結晶として記載されてもよい。いくつかの実施形態において、ガラス組成物は、フュージョンドロープロセスによって形成可能であるか、スロットドロープロセスによって形成可能であるか、フロートプロセスによって成形可能であるか、薄板圧延プロセスによって形成可能であるか、またはそれらの組合せとして特徴づけられてもよい。いくつかの実施形態において、ガラスは、三次元形状に形成されても、または三次元形状を有してもよい。
本開示の第３の態様は、ガラスセラミックに結晶化可能であるように調製される前駆体ガラスの形成方法、ならびに主結晶相として、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを有するガラスセラミックの形成方法に関する。１つ以上の実施形態において、この方法は、その他に本明細書に記載されるとおりの組成物を有するガラスのためのバッチを溶融させ、かつそのようなガラスを形成するステップを含む。例えば、この組成物は、約４５〜約７５モル％の範囲のＳｉＯ２、約４〜約２５モル％の範囲のＡｌ２Ｏ３、約０．１〜約１０モル％の範囲のＰ２Ｏ５、約０．０１〜約８モル％の範囲のＭｇＯ、約０〜約３３モル％の範囲のＲ２Ｏ、約０〜約８モル％の範囲のＺｎＯ、約０〜約４モル％の範囲のＺｒＯ２、約０〜約１２モル％の範囲のＢ２Ｏ３、ならびに約０．５〜約１２モル％の範囲の１種以上の核形成剤を含んでもよい。１つ以上の実施形態において、組成物は、遷移金属イオンなどの金属イオン、ならびにＣｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｆｅ、Ｂｉ、Ｎｉ、Ｖ、Ｓｅの酸化物および当該技術分野において既知の他の酸化物の形態の１種以上の着色剤を含んでもよい。
加えて、バッチは、清澄および均質化において、約１６００℃未満の温度で溶融ガラス組成物を形成する、本明細書に記載される前駆体ガラス物品および組成物を製造するために調製される。この方法のなお他の態様は、溶融された前駆体ガラスから、本明細書に記載されるガラス物品へと形成するステップを含む。この方法は、一定の期間にわたってガラスをセラミック化して、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を含むガラスセラミックの生成を引き起こすステップと、ガラスセラミックを室温まで冷却するステップとをさらに含んでもよい。ガラスの形成は、ガラスのダウンドロー（スロットドローまたはフュージョンドロープロセスのいずれか）、フロートプロセス、薄板圧延プロセスを含んでもよい。いくつかの実施形態において、この方法は、ガラスまたはガラスセラミックを三次元形状に成形するステップを含んでもよい。
１つ以上の実施形態において、前駆体ガラス組成物は、形成（例えば、ダウンドロー）の間、約１０キロポアズ（ｋＰ）（１ｋＰａ・ｓ）以上（例えば、２０ｋＰ（２ｋＰａ・ｓ）以上、５０ｋＰ（５ｋＰａ・ｓ）以上または１００ｋＰ（１０ｋＰａ・ｓ）以上）の液相粘度および約１４００℃未満の液相温度を示す。
原材料選択に関して、ＳｉＯ２供給源として鉄含有量の低い砂が使用されることが推薦される。砂および他のバッチ材料の鉄濃度を低下させるために、事前酸処理が必要とされ得る。バッチ材料の処理自体が、５００ｐｐｍより多い酸化鉄を導入しないことを確認することは重要である。いくつかの実施形態において、より明るい白色のガラスセラミックが所望である場合、ガラスおよびガラスセラミックへの２００ｐｐｍ未満の全Ｆｅ２Ｏ３に寄与する原材料が利用されてもよい。Ｂ２Ｏ３の供給源として、無水ホウ酸が使用されてもよい。当業者は、ガラスセラミックの提案された最終組成物に従って使用されるバッチ材料の量を算出することができる。上記のとおり、有利であることがわかっている清澄剤は、２モル％までのゼロ以外の量のＳｎＯ２である。
混合されたバッチ材料は、次いで、ガラスタンクに装填されて、従来のガラス溶融プロセスによって溶融される。ガラス溶融の技術分野の当業者は、ガラス溶融タンクの作動能力および温度に適応するために、ガラスの溶融の容易さを微調整するために、上記の組成範囲内でバッチの組成物を調節することができる。溶融ガラスは、従来の方法を使用して均質化することができて、微細化することができる。
均質化され、微細化され、熱的に均一な溶融ガラスは、次いで、所望の形状に形成される。キャスティング、成形、プレス、ローリング、フローティングなどの様々な形成が使用されてもよい。一般に、ガラスは液相粘度より低い粘度（したがって、液相温度より高い温度）で形成されなければならない。プレスが利用される場合、ガラスは、最初に高温の型に送達され、プランジャーを用いて所望の形状、表面テクスチャーおよび表面粗さを有するガラス物品に形成される。低い表面粗さおよび正確な表面等高線を得るために、正確なプランジャーが、型に充填された大量のガラスをプレスするために必要とされる。高いＩＲ透過が必要とされる場合、プランジャーがガラス物品の表面上へＩＲ吸収酸化物または他の欠陥を導入しないことも必要とされる。成形品は、次いで、型から取り出されて、必要および所望である場合、さらなる処理のために、成形品において十分な応力を除去するためのガラスアニーラーへ移送される。その後、冷却されたガラス成形品は検査され、品質管理目的のために化学的および物理的特性が分析される。表面粗さおよび等高線は、製品仕様の対応性に関して試験されてもよい。
本開示のガラスセラミック物品を製造するため、そのように調製されたガラス物品は結晶化窯に配置され、セラミック化プロセスを受ける。窯の温度の時間的プロフィールは、ガラス成形品および他のガラス物品、例えば、ガラスプレートなどが、本明細書に記載されるガラスセラミック物品へと形成されることを確実にするために、プログラムによって望ましく制御および最適化される。上に述べたように、ガラス組成およびセラミック化プロセス間の熱経歴は、最終製品における最終結晶相、それらの集合および微結晶径を決定する。１つ以上の実施形態において、ガラス物品は、結晶、したがって、ガラスセラミックの生成を引き起こすために十分な期間にわたり、約７００℃〜約１０００℃の範囲の温度で熱処理される。一般に、ガラス物品は、最初に、結晶核の形成が始まる核形成温度（Ｔｎ）範囲まで加熱される。その後、それらは所望の結晶相を得るために、さらにより高い最大結晶化温度Ｔｃまで加熱される。結晶化が所望の範囲を達成するように、しばらくの間、物品をＴｃに保つことがしばしば望ましい。本開示のガラスセラミック物品を得るために、核形成温度Ｔｎは、約７００℃〜約８００℃の範囲であり、および結晶化温度Ｔｃは、約８００℃〜約１０００℃の範囲である。結晶化後、物品を結晶化窯から出し、室温に冷却させる。当業者は、上記の範囲内の種々のガラス組成物に適応するように、Ｔｎ、Ｔｃおよび結晶化サイクルの温度時間的プロフィールを調節することができる。本開示のガラスセラミック物品は、不透明な白色の着色を有利に示すことができる。
１つ以上の実施形態において、この方法は、（ｉ）７００℃〜８００℃の範囲の核形成温度（Ｔｎ）まで、またはガラスが約１０９〜約１０１３ポアズ（約１０８〜約１０１２Ｐａ）（例えば、約１０１０〜約１０１２ポアズ（約１０９〜約１０１１Ｐａ））の粘度を示すまで、約５℃／分の速度でガラスを加熱するステップと；（ｉｉ）１時間〜８時間（または特に約１時間〜約４時間）の範囲の時間にわたり核形成温度にガラスを維持して、核形成されたガラスを製造するステップと；（ｉｉｉ）ガラスの焼鈍し温度（例えば、８００℃）より約５０℃〜約１１００℃高い範囲の結晶化温度（Ｔｃ）まで、または核形成されたガラスが約１０７〜約１０１２ポアズ（約１０６〜約１０１１Ｐａ）（例えば、約１０８〜約１０１１ポアズ（約１０７〜約１０１０Ｐａ））の粘度を示すまで、約５℃／分の速度で、核形成されたガラスを加熱するステップと；（ｉｖ）約２時間〜約８時間（または特に約２時間〜約４時間）の範囲の時間にわたり、核形成されたガラスを結晶化温度に維持して、本明細書に記載されるガラスセラミックを含む物品および／またはガラスセラミックを製造するステップと；（ｖ）ガラスセラミックを含む物品および／またはガラスセラミックを室温まで冷却するステップとを含む。ガラスまたは核形成されたガラスが加熱される粘度および／または温度は、ガラスまたはガラスセラミックの所望の形状を維持するために調節されてもよい。得られるガラスセラミックの不透明度は、セラミック化温度および／または時間を変更することによって変更されてもよい。例えば、より淡いオパール（またはより不透明ではないガラスセラミック）は、より低い核形成および／または結晶化温度、ならびにより短い核形成および／または結晶化時間を使用して形成され得、およびより不透明なガラスセラミックは、より高い核形成および／または結晶化温度、ならびにより長い核形成および／または結晶化時間を使用して形成することができる。その他に本明細書に記載されるとおり、核形成剤の量は不透明度を変更するために調節されてもよい。
ステップ（ｉｉｉ）および（ｉｖ）の温度時間的プロフィールは、前駆体ガラスの組成に加えて、本開示の態様および／または実施形態によって得られるガラスセラミックおよび／またはガラスセラミック物品の、所望の結晶相；結晶相の所望の全重量；主結晶相および／または少数結晶相および残留ガラスの所望の割合；主結晶相および／または少数結晶相および残留ガラスの所望の結晶相集合；主結晶相および／または少数結晶相の所望の粒度または粒度分布；したがって、最終的な完全性、品質、色および／または不透明度を生じるように考慮して決定される。
この方法は、ガラスセラミックにイオン交換処理を受けさせて、ＩＸガラスセラミックを提供するステップを含んでもよい。１つ以上の他の実施形態において、この方法は、ガラス物品をセラミック化する前に、またはガラス物品をセラミック化することさえなく、ガラス物品にイオン交換処理を受けさせて、ＩＸガラス物品を提供するステップを含む。１つ以上の実施形態において、前駆体ガラスは、イオン交換処理を受けさせて、ＩＸガラスを提供してもよい。１つ以上の実施形態において、例えば、カリウム（Ｋ）イオンは、再びＩＸ温度条件次第で、ガラスセラミック（および／またはガラス物品）中でナトリウム（Ｎａ）イオンを置き換えることができるか、またはそれと置き換えられることができる。あるいは、（Ｒｂ）ルビジウムまたはセシウム（Ｃｓ）などのより大きい原子半径を有する他のアルカリ金属イオンは、ガラスセラミック（および／またはガラス物品）中で、より小さいアルカリ金属イオンを置き換えることができる。同様に、限定されないが、硫酸塩、ハロゲン化物などの他のアルカリ金属塩がイオン交換プロセスに使用されてもよい。
両種のイオン交換が生じることができる、すなわち、より大きいイオンがより小さいイオンに置き換えられ、かつ／またはより小さいイオンがより大きいイオンに置き換えることが考えられる。１つ以上の実施形態において、この方法は、１０時間までの時間にわたり、約３００℃〜約５００℃（例えば、約３６０〜約４５０℃）の温度で、ＫＮＯ３浴においてガラスセラミック物品（および／またはガラス物品）をイオン交換（特に、カリウムに対するナトリウムイオン交換）するステップを含む。１つまたはいくつかの態様および／または実施形態において、この方法は、１０時間までの時間にわたり、３３０〜４５０℃の温度でＮａＮＯ３浴にそれを配置することによって、ガラスセラミック物品（および／またはガラス物品）をイオン交換（特に、ナトリウムに対するリチウムイオン交換）するステップを含む。他の態様および／または実施形態において、イオン交換プロセスは、同様の温度および時間で、混合カリウム／ナトリウム浴、例えば、匹敵する温度における８０／２０のＫＮＯ３／ＮａＮＯ３浴、あるいは６０／４０のＫＮＯ３／ＮａＮＯ３を利用して達成することができる。さらに他の態様および／または実施形態において、第１のステップがＬｉ含有塩浴で達成され、例えば、溶融塩浴が、主要成分としてＬｉ２ＳＯ４から構成されるが、溶融浴を作成するために十分な濃度でＮａ２ＳＯ４、Ｋ２ＳＯ４またはＣｓ２ＳＯ４で希釈される高温硫酸塩浴であることが可能である、２ステップイオン交換プロセスが考察される。このイオン交換ステップは、ガラスセラミック物品中のより大きいナトリウムイオンを、Ｌｉ含有塩浴で発見されるより小さいリチウムイオンで置き換えるように機能する。第２のイオン交換ステップは、ガラスセラミック物品（および／またはガラス物品）中にＮａを交換するように機能し、および３２０℃〜４３０℃の温度で、ＮａＮＯ３浴によって上記のように達成することができる。ガラスセラミックは、抗菌性または抗ウイルス性を材料に与えるために、ＡｇをまたはＣｕイオンを含有する浴中でイオン交換することもできる。
１つ以上の実施形態において、少なくとも１つの表面のＩＸ部分が、表面で少なくとも３００ＭＰａの圧縮応力（σｓ）を示しながら、全物品の厚さの２％以上のＤＯＬを有するＣＳ層を示すように、ＩＸプロセスを受ける少なくとも１つの表面の少なくとも一部分を有するＩＸガラスセラミック物品（および／またはガラス物品）を形成するために、ガラスセラミック（および／またはガラス物品）にＩＸ処理を受けさせる。上記のＤＯＬおよび圧縮応力（σｓ）が達成可能な限り、当業者に既知のいずれのＩＸプロセスも適切であろう。
さらに特定の実施形態において、本明細書に記載されるガラスセラミックは、デバイスのハウジングまたはエンクロージャに組み込まれてもよく、かつ２ｍｍの全厚さ、ならびに約４０μｍ以上のＤＯＬおよび約５００ＭＰａ以上の圧縮応力（σｓ）を有するＣＳ層を示し得る。再び、これらの特徴を達成するいずれのＩＸプロセスも適切である。
なお、単一ステップのＩＸプロセスに加えて、向上した性能のために設計されたＩＸプロフィールを作成するために、複数のＩＸ手順が利用されてもよい。すなわち、異なるイオン濃度で調製されたＩＸ浴を使用することによって、または異なるイオン半径を有する異なるイオン種を使用して調製された複数のＩＸ浴を使用することによって、選択されたＤＯＬに対して応力プロフィールが作成される。
本方法の１つ以上の実施形態に従って製造された、得られたガラスセラミックは、種々の発光物（例えば、発光物Ｄ６５またはＦ０２）を用いて分光光度計を使用して正反射率測定から決定されるＣＩＥＬＡＢ色空間座標で示される色を示してもよい。正反射率は、その他に本明細書に記載されるとおり、測定において含まれてもよいか、または排除されてもよい。１つ以上の実施形態において、イオン交換処理は、本明細書に開示されるガラスセラミックにおける全結晶相の低い量のため、より有効である。低量の全結晶相は、イオン交換による強化を受けることができるガラスセラミックのガラスのより大きい部分から出ると考えられている。理論によって束縛されることなく、１つ以上の実施形態において、本明細書に開示されるガラスまたはガラスセラミックに、約４３０℃の温度および１６時間までＫＮＯ３の溶融塩浴中でのイオン交換プロセスを受けさせることによって、高い押込み亀裂開始負荷値（例えば、約１０ｋｇｆ（９８Ｎ）〜約１５ｋｇｆ（１４７Ｎ））を示すガラスセラミックが得られた。理論によって束縛されることなく、（セラミック化プロセス間の）急速冷却プロセスによって、前駆体ガラスにおけるより高い仮想温度がもたらされ、これが、イオン交換される基材において（改善された押込み亀裂開始負荷の形態で）改善された亀裂耐性をもたらすと考えられている。したがって、また、前駆体ガラスに仮想プロセスを受けさせること、または（急速冷却速度を有する）フュージョンプロセスを使用して形成することによって、改善された押込み亀裂開始負荷を示すガラスセラミックがもたらされ得る。
以下の実施例において、前駆体ガラス組成物、前駆体ガラスおよびガラスセラミックの様々な特徴決定が記載される。特徴決定には、ＣＩＥＬＡＢ色空間座標、半透明度、不透明度、粘度、焼鈍し点、歪点、誘電パラメーター、結晶相および／または結晶径の同一性、元素プロフィール、圧縮応力プロフィール、ビッカーズ硬度、ＣＴＥ、破壊靱性（Ｋ１Ｃ）が含まれてもよい。
本明細書に記載されるガラスセラミックの色を記載するためのＣＩＥＬＡＢ色空間座標（例えば、ＣＩＥ Ｌ＊；ＣＩＥ ａ＊；およびＣＩＥ ｂ＊；またはＣＩＥ Ｌ＊、ａ＊およびｂ＊；またはＬ＊、ａ＊およびｂ＊）は、当業者に既知の方法によって、正反射率を含む全反射率測定または正反射率を排除した反射率から決定した。
本開示の態様および／または実施形態による前駆体ガラスの粘度は、ＡＳＴＭ Ｃ９６５−９６およびＡＳＴＭ Ｃ１３５０Ｍ−９６に記載のものなどの当業者に既知の方法によって可能である。
本明細書に記載される前駆体ガラスの焼鈍し点および歪点は、ＡＳＴＭ Ｃ５９８（およびその後継、全て本明細書に参照によって組み込まれる）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ ａｎｄ Ｓｔｒａｉｎ Ｐｏｉｎｔ ｏｆ Ｇｌａｓｓ ｂｙ Ｂｅａｍ Ｂｅｎｄｉｎｇ」、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ，ＵＳに記載の方法などの当業者に既知の方法によって測定可能である。
結晶相集合の結晶相および／または結晶相の結晶径の同一性は、Ｐｈｉｌｉｐｓ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ製のＰＷ１８３０（Ｃｕ Ｋα放射線）回折計などのモデルで市販の装置を使用して、当業者に既知のＸ線回折（ＸＲＤ）分析技術によって決定された。スペクトルは、典型的に５〜８０度の２θに関して得られた。
前駆体ガラスおよびガラスセラミックの表面を特徴づけるために測定される元素プロフィールは、電子マイクロプローブ（ＥＭＰ）；Ｘ線フォトルミネセンス分光法（ＸＰＳ）；二次イオン質量分光法（ＳＩＭＳ）などの当業者に既知の分析技術を使用して決定された。
本明細書に記載されるガラスセラミックおよび前駆体ガラスの表面ＣＳ層の圧縮応力（σｓ）、平均表面圧縮およびＤＯＬは、株式会社ルケオおよび／または株式会社折原製作所（いずれも日本、東京）から入手可能な市販の表面応力計器モデル、ＦＳＭ−３０、ＦＳＭ−６０、ＦＳＭ−６０００ＬＥ、ＦＳＭ−７０００Ｈなどの従来の光学技術および機器類を使用して、都合よく測定することができる。いくつかの場合、正確な応力プロフィールを決定するために、追加的な分析が必要とされてもよい。
前駆体ガラスおよび／またはガラスセラミックのビッカーズ硬度は、ＡＳＴＭ Ｃ１３２７（およびその後継、全て本明細書に参照によって組み込まれる）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｖｉｃｋｅｒｓ Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ」、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ，ＵＳに記載の方法などの当業者に既知の方法によって特徴決定することができる。
前駆体ガラスおよび／またはガラスセラミックの熱膨張係数（ＣＴＥ）は、ＡＳＴＭ Ｅ２２８（およびその後継、全て本明細書に参照によって組み込まれる）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｌｉｎｅａｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ａ Ｐｕｓｈ−Ｒｏｄ Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ」、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ，ＵＳに記載の方法などの当業者に既知の方法によって特徴決定することができる。
前駆体ガラスおよび／またはガラスセラミックの破壊靱性（Ｋ１Ｃ）は、ＡＳＴＭ Ｃ１４２１（およびその後継、全て本明細書に参照によって組み込まれる）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ａｔ Ａｍｂｉｅｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ，ＵＳに記載の方法などの当業者に既知の方法によって、および／またはシェブロンノッチドショートバー（ＣＮＳＢ）試験片を使用することによって、および／またはＡＳＴＭ Ｅ１３０４ Ｃ１４２１（およびその後継、全て本明細書に参照によって組み込まれる）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｌａｎｅ−Ｓｔｒａｉｎ（Ｃｈｅｖｒｏｎ−Ｎｏｔｃｈ）Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ，ＵＳに実質的に記載の方法によって、特徴決定することができる。
以下の実施例によって様々な実施形態がさらに明らかにされるが、本開示がそれらに限定されることは決して意図されない。
個々の成分の合計が１００であるか、または１００に非常に近い限り、実際上、報告された値は、モル％を表すとみなされてもよい。実際の前駆体ガラスバッチ成分は、いずれかの材料、いずれかの酸化物または他の化合物を含んでもよく、これは、他のバッチ成分と共に溶融された場合、適当な割合で所望の酸化物に変換される。
実施例１〜１１６：表Ｉに記載される例示的な前駆体ガラス前駆体は、溶融および精製によって１０００ｇの前駆体ガラスが得られるように調製された原材料のバッチ使用する白金るつぼ中で製造された。調製された原材料バッチを含有するそれぞれのるつぼを、１５７５℃〜１６５０℃に予熱された炉に配置し、調製された原材料バッチを溶融および精製して、溶融前駆体ガラスを製造し、次いで、これを前駆体ガラスのパティとしてキャスティングし、ガラス組成物の焼鈍し点、またはその付近で１時間焼き鈍した。このように、例示的な前駆体ガラスの個々のパティを、次いで、複数の断片に切断することができ、１つ以上の断片に、そのような異なるまたは同様の温度時間的サイクルでプログラムされた静的炉に配置することによって、多数の異なるおよび／または同様の熱処理（核形成および結晶化）を受けさせた。表Ｉに記載される例示的な前駆体ガラスの多数のパティが受けた温度時間的サイクルのいくつかの実施例には、以下：
ｉ）室温〜５００℃に設定された炉へのパティの導入；
ｉｉ）表ＩＩＩに示すような核形成温度（Ｔｎ）（例えば、７５０℃）での５℃／分での熱処理；
ｉｉｉ）Ｔｎにおける２時間の保持；
ｉｖ）Ｔｎから、表ＩＩＩに示すような結晶化温度（Ｔｃ）（例えば、８５０℃〜１０５０℃）への５℃／分での加熱；および
ｖ）結晶化温度（Ｔｃ）における４時間の保持；および
ｖｉ）室温までの冷却
が含まれた。
ｉ）室温〜５００℃に設定された炉へのパティの導入；
ｉｉ）表ＩＩＩに示すような核形成温度（Ｔｎ）（例えば、７５０℃）での５℃／分での熱処理；
ｉｉｉ）Ｔｎにおける２時間の保持；
ｉｖ）Ｔｎから、表ＩＩＩに示すような結晶化温度（Ｔｃ）（例えば、８５０℃〜１０５０℃）への５℃／分での加熱；および
ｖ）結晶化温度（Ｔｃ）における４時間の保持；および
ｖｉ）室温までの冷却
が含まれた。
表Ｉに記載される前駆体ガラスの熱処理されたパティは、ガラスセラミックへの上記のような熱処理に続いて、表Ｉに記載される特性に関しても分析された。表Ｉに記載される前駆体ガラスは、Ｘ線蛍光（ＸＲＦ）によって、および／またはＩＣＰによって分析されるか、あるいはバッチ処理されて、前駆体ガラスの成分を決定した。焼鈍し、歪および軟化点は、繊維伸長によって決定された。密度は、浮力法によって決定された。熱拡張（ＣＴＥ）値のそれぞれの係数は、室温と３００℃との間の平均値である。それぞれの前駆体ガラスの弾性率は、共鳴超音波分光法によって決定された。それぞれの前駆体ガラスの屈折率は、５８９．３ｎｍの波長に関して明示される。応力光学の係数（ＳＯＣ’’）値は、直径圧縮法によって決定された。液相温度測定は、２４時間および７２時間の勾配ボート試験に基づき報告された。
実施例Ａ：実施例３、４、５および４４の前駆体ガラスのそれぞれのパティは、上記のとおりに熱処理されて、ガラスセラミックが形成された。ガラスセラミックは、それぞれ、次いで、約４１０℃の温度でＤＯＬが約５０μｍになる時間にわたり、ＫＮＯ３を含む浴中でイオン交換された。これらのガラスセラミックのそれぞれのＣＳおよびＤＯＬ測定は、その他に本明細書に記載される方法に従って、表ＩＩに提供される。実施例３〜５の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックに関して、ガラス前駆体のＳＯＣおよびＲＩは、ガラスセラミックのＣＳおよびＤＯＬを決定するために利用された。実施例４４の前駆体ガラスから形成されたガラスセラミックに関しては、１５５０ｎｍの波長で試験を実行し、ＳＯＣおよびＲＩは、それぞれ３１．８および１．５であると仮定する。
表ＩＩに示すように、実施例４４の前駆体ガラスから形成されたガラスセラミックは、実施例３、４および５に基づくガラスセラミックとほぼ同じＤＯＬを半分の時間で達成した。
実施例Ｂ：実施例３〜５の前駆体ガラスから形成されたガラスセラミックを、約２０時間にわたり軟化点の付近で熱処理した。得られたガラスセラミック上でＸＲＤ分析を実行し、および結果を示すＸＲＤパターンを図２に示す。ＸＲＤパターンは、実施例３〜５の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックがルチルの主結晶相を有することを示す。図３〜５は、それぞれ、実施例３、４および５の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。ＳＥＭで評価する前に、ガラスセラミックを３０秒間、０．５％ＨＦエッチング液に暴露し、ＳＥＭ顕微鏡写真を６０度の傾斜で２５ｋ×の倍率で撮影した。ルチル結晶相を示す「針様」構造を図３〜５に見ることができる。針様構造は、チタンが濃縮されている。
実施例４４の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックを、２時間にわたり７５０℃で熱処理し、次いで、４時間にわたり８７５℃で熱処理した。温度を、約５℃／分の速度で７５０℃から８７５℃まで上昇させた。得られたガラスセラミック上でＸＲＤ分析を実行し、図６に結果のＸＲＤパターンを示す。ＸＲＤパターンは、実施例４４の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックがアナターゼの主結晶相を有することを示す。実施例４４の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックのＳＥＭ顕微鏡写真を図７に示す。ＳＥＭで評価する前に、ガラスセラミックを３０秒間、０．５％ＨＦエッチング液に暴露し、ＳＥＭ顕微鏡写真を６０度の傾斜で２５ｋ×の倍率で撮影した。アナターゼ結晶相を示す「針様」および明るい構造を図６に見ることができる。針様および明るい構造は、チタンが濃縮されている。
実施例Ｃ：実施例６３〜６８の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックを、２時間にわたり８２５℃で熱処理し、次いで、４時間にわたり１０００℃で熱処理した。温度を、約５℃／分の速度で８２５℃から１０００℃まで上昇させた。得られたガラスセラミック上でＸＲＤ分析を実行し、図８に結果のＸＲＤパターンを示す。ＸＲＤパターンは、実施例６３の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックがアナターゼの主結晶相を有し、および実施例６４〜６８の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミックがルチルの主結晶相を有することを示す。
図９は、２時間にわたる７５０℃での熱処理およびそれに続く４時間にわたる８７５℃での熱処理後の、１．０ｍｍの厚さを有する実施例６３の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミック物品の透過スペクトルを示す。図９は、２時間にわたる８５０℃での熱処理およびそれに続く４時間にわたる９２５℃での熱処理後の、１．０ｍｍの厚さを有する実施例６５〜６８の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミック物品の透過スペクトルも示す。
図１０は、それぞれ、０．８ｍｍの厚さを有する実施例９４の前駆体ガラスから形成されるガラスセラミック物品の透過スペクトルを示す。それぞれのガラスセラミック物品は、以下のとおり、実施例９４に記載の組成物を有するガラス物品を熱処理することによって形成された：１）２時間にわたる７５０℃での熱処理およびそれに続く４時間にわたる９００℃での熱処理；２）２時間にわたる８００℃での熱処理およびそれに続く４時間にわたる８７５℃での熱処理；３）２時間にわたる８００℃での熱処理およびそれに続く４時間にわたる９００℃での熱処理；および４）２時間にわたる８００℃での熱処理およびそれに続く４時間にわたる９２５℃での熱処理。
図１１は、表Ｉに示される実施例に基づき、ＴｉＯ２含有量の関数として、液相温度および液相粘度を例示するグラフを示す。液相温度は、勾配ボート法を使用することによって測定された。破砕されたガラスを白金ボートに載積し、２４時間保持した。次いで、光学顕微鏡を用いてガラスを試験し、結晶が観察された最高温度を液相線として識別された。粘度は、回転シリンダー法によって温度の関数として測定した。このデータを、次いで、液相温度における粘度（液相粘度）を算出するために使用した。図１１に示すように、ＴｉＯ２含有量が増加すると、液相粘度は一般に減少し、ＴｉＯ２含有量が増加すると、液相温度は一般に上昇する。
図１２は、表Ｉに示される実施例に基づき、組成関係（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）の関数として、ＣＩＥＬＡＢ色座標の変動を例示するグラフを示す。このグラフは、Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３＝０．８である場合、Ｌ＊が最大９７に達することを示す。（Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）の値が増加する場合、ｂ＊は増加し始める。全試料の不透明度は、厚さ０．８ｍｍの試料に関して９８％〜９９％であった。
１つ以上の実施形態によるガラスセラミックの結晶の粒度は、ガラスセラミックの走査電子顕微鏡像によって評価することができる。例えば、図３〜５に示すように、示されるルチルの結晶のいくつかは、約１μｍ以下、４００ｎｍ以下または２００ｎｍ以下の長さを有する。また、図３〜５に示されるように、示されるルチルの結晶のいくつかは、約５０ｎｍの以下の幅を有する。
実施例Ｄ：表Ｉに示される実施例によるガラスセラミック物品の色を分析した。測定された色は、表ＩＩＩに示すように、ＣＩＥＬＡＢ色空間座標で示され、および発光物Ｄ６５を用いて分光光度計を使用して正反射率測定から決定した。
実施例Ｅ：実施例４４の前駆体ガラス組成物から形成されるガラスセラミックの押込み亀裂開始負荷は、ビッカーズインデンターを使用して測定された。ガラスセラミックは、本明細書に記載される方法、および押込み閾値の結果とともに表ＩＶに提供されるＩＸによって形成された。
実施例Ｆ：全透過、不透明度、透過色、反射色および屈折率を含む、実施例６３および６５〜６８の様々な光学特性を測定した。実施例６３および６５〜６８のそれぞれの前駆体ガラスから、それぞれ１つのガラスセラミック試料を形成した。試料は１インチ（２５．４ｍｍ）の長さおよび幅寸法を有した（すなわち、それぞれの試料は１平方インチ（６４５．１６ｍｍ２）であった）。それぞれの試料の厚さは、表Ｖに提供される。それぞれの試料は研磨されて、平坦な表面を有し、白色を示した。
測定の前に、それぞれの試料の表面に、ＨＰＬＣグレード試薬アルコールで湿らせたＴｅｘｗｉｐｅ ＴＸ−６０９ワイパーを使用して、ドラッグワイプクリーニングを行った。次いで、直径１５０ｍｍの球面検出器を用いて、Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ ９５０ ＃２分光光度計を使用して、２５００ｎｍ〜２５０ｎｍの全透過率および全反射率に関して試料を測定した。以下のパラメーターを使用した：
スペクトルバンド幅 − ＰＭＴ − ３．０ｎｍ
ＰｂＳ − サーボ、ゲイン − １８
スキャン速度 − ４２０ｎｍ／分
スキャンステップ径 − ２ｎｍ
シグナル平均時間 − ０．２秒
開口 − なし。
スペクトルバンド幅 − ＰＭＴ − ３．０ｎｍ
ＰｂＳ − サーボ、ゲイン − １８
スキャン速度 − ４２０ｎｍ／分
スキャンステップ径 − ２ｎｍ
シグナル平均時間 − ０．２秒
開口 − なし。
全透過率測定は、いずれかが存在する場合、試料を透過する軸外散乱光の収集を提供するために、球面エントリーポートにおいて、それぞれの試料を固定することによって得られた。全反射率は、不透明度の決定のための白色および黒色バッキングの両方を用いて測定された。不透明度％は、次の方程式：
を使用して算出される。実施例６３および６５〜６８の全透過率は、図１３に示される。実施例６３および６５〜６８の不透明度は、図１４に示される。実施例６３および６５〜６８の平均不透明度は、表Ｖ１で示される。
屈折率測定は、６３３ｎｍにおいてＭｅｔｒｉｃｏｎ Ｍｏｄｅｌ ２０１０ Ｐｒｉｓｍ Ｃｏｕｐｌｅｒで実行した。Ｍｅｔｒｉｃｏｎ ２０１０プリズム結合器は、バルク材料および／またはフィルムの屈折率を測定することができる完全自動化屈折計として作動された。バルク材料（例えば、実施例６３および６５〜６８）の屈折率は、以下の原理を使用して、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ ２０１０ Ｐｒｉｓｍ Ｃｏｕｐｌｅｒによって測定した。ｎの屈折率を有する材料が屈折率ｎｐでプリズムに結合した場合、プリズムの基部に向けられたレーザー光は、入射角θが臨界角θｃより低くなるまで全て反射される。すなわち、
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ／ｎｐ）
である。検出器の強度は、θが臨界角より低くなると有意に減少するため、θｃは光検出器（図１を参照のこと）を使用して測定される。ｎｐが既知であるため、ｎは上記の方程式から決定することができる。
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ／ｎｐ）
である。検出器の強度は、θが臨界角より低くなると有意に減少するため、θｃは光検出器（図１を参照のこと）を使用して測定される。ｎｐが既知であるため、ｎは上記の方程式から決定することができる。
屈折率測定のために使用される器具のパラメーターは、以下のとおりである：
基板モード
ハーフステップテーブルインターバル
プリズム：２００−Ｐ−１、コード１０７３．６
カップリング負荷：約３．５ポンド（１．５キログラム）
３リピートスキャン
供給源：１５５０ｎｍレーザー。
基板モード
ハーフステップテーブルインターバル
プリズム：２００−Ｐ−１、コード１０７３．６
カップリング負荷：約３．５ポンド（１．５キログラム）
３リピートスキャン
供給源：１５５０ｎｍレーザー。
使用される器具は、絶対物理標準または国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）に起源を発する標準を使用するＡＳＴＭ推薦手順によって周期的に較正される。
透過色結果、反射色結果（黒色バッキングによる）および屈折率結果を、表ＶＩＩＡ、ＶＩＩＢおよびＶＩＩＣに提供する。
透過色に関して、波長範囲は３８０ｎｍ〜７８０ｎｍであり、スペクトル間隔は２ｎｍであった。Ａ発光物ＣＩＥ、Ｆ０２発光物ＣＩＥ、Ｄ６５発光物および１０度標準観測角度を利用して、三刺激値、色度およびＣＩＥ Ｌ＊ａ＊ｂ＊測定を得た。
透過色および反射色に関して、波長範囲は３８０ｎｍ〜７８０ｎｍであり、スペクトル間隔は２ｎｍであった。ＣＩＥ発光物Ｆ０２およびＤ６５、ならびに１０度標準観測角度を利用して、三刺激値、色度およびＣＩＥ Ｌ＊ａ＊ｂ＊測定を得た。
実施例１１７〜１２８：表ＶＩＩＩに記載される例示的な前駆体ガラス組成物は、実施例１〜１１６と同様の方法で製造され、かつ実施例１〜１１６と同様の方法で前駆体ガラスのパティとして次いでキャスティングされる溶融前駆体ガラスに形成された。前駆体ガラスのパティは、次いで、実施例１〜１１６に関して上記されたとおり、熱処理されて、ガラスセラミックが形成された。得られたガラスセラミックは、実施例１〜１１６と同様の方法で、表ＶＩＩＩに記載される特性に関しても分析された。
比較例１２９、実施例１３０〜１３４および比較例１３５：表ＩＸに記載される例示的なガラス前駆体は、実施例１〜１２８と同様の方法で製造され、かつ実施例１〜１２８と同様の方法で前駆体ガラスのパティとして次いでキャスティングされる溶融前駆体ガラスに形成された。実施例１３０〜１３４および比較例１３５の前駆体ガラスのパティが、次いで、実施例１〜１２８に関して上記されたとおりに熱処理されて、ガラスセラミックが形成された。得られたガラスセラミックは、実施例１〜１２８と同様の方法で、表ＩＸに記載される特性に関しても分析された。比較例１２９から形成されるガラスは、ガラスセラミックを形成するために熱処理されなかった。
比較例１２９、実施例１３０〜１３４および比較例１３５の液相温度は、前駆体ガラスからガラス粉末を形成し、次いで、７２時間にわたり勾配炉でガラス粉末を等温保持することによって決定された。比較例１２９、実施例１３０〜１３４および比較例１３５のそれぞれの液相温度における粘度は、高温粘度の測定から決定された。押込み閾値は、比較例１２９（ガラスセラミックに熱処理されなかったもの）から形成されるガラス、ならびに実施例１３０〜１３４および比較例１３５のガラスセラミックにおいて決定された。実施例１３０〜１３４および比較例１３５のガラスセラミックは、明示された塩浴で、ビッカーズインデンターで試験する前に、表ＩＸに記載される時間および温度でイオン交換された。比較例１２９から形成されるガラスは、実施例１３０〜１３４および比較例１３５のガラスセラミックを形成するために使用するものと同じプロセスを使用して形成されたが、イオン交換はされず、約１０ｋｇｆ（９８Ｎ）〜１５ｋｇｆ（１４７Ｎ）の範囲のビッカーズ押込み亀裂開始負荷値を示した。比較のために、比較例１２９のための前駆体ガラス組成物は、フュージョンドロープロセスを使用してガラス物品に形成され、および得られたガラス物品は、約２０ｋｇｆ（１９６Ｎ）〜約２５ｋｇｆ（２４５Ｎ）のビッカーズ押込み亀裂開始負荷値を示した。
図１５は、４時間にわたる９２０℃でのセラミック化後の実施例１３０〜１３２から形成されたガラスセラミックの結晶相のＸ線回折スペクトルを示す。スペクトルは、３つのガラスセラミック全てにおいて、アーマルコライトの存在を示す。ガラスセラミックの残りの部分は、非晶質のままであった。
図１６Ａおよび１６Ｂは、４時間にわたる９２０℃でのセラミック化後の実施例１３１のガラスセラミックの高角度散乱暗視野法（ＨＡＡＤＦ）マッピング像を示す。図１７Ａ〜１７Ｄは、それぞれ、元素Ｍｇ、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉに関して、４時間にわたる９２０℃でのセラミック化後の実施例１３１のガラスセラミックのエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）マッピング像を示す。理論によって束縛されることなく、図１６Ａ〜Ｂおよび１７Ａ〜Ｄのガラスセラミックは、結晶相の結晶の径または形成されたアーマルコライト相の量次第で、半透明度または不透明度を示し得る。
図１８Ａおよび１８Ｂは、発光物Ｆ０２を用いて分光光度計（Ｘ−ｒｉｔｅ、モデルＣｏｌｏｒ ｉ７によって供給される）を使用して測定され、正反射率を含む、実施例１３０〜１３２および比較例１３５から形成されるガラスセラミックのＣＩＥＬＡＢ色空間座標Ｌ＊、ａ＊およびｂ＊のグラフを示す。図１８Ａおよび１８Ｂ中、正方形のデータ点およびひし形のデータ点は、それぞれ、４時間にわたり９２０℃および４時間にわたり９４０℃でセラミック化した後に測定した色座標を示す。
図１９は、２つの異なる時間：８時間および１６時間にわたり、４３０℃の温度を有するＫＮＯ３を含む溶融塩浴でイオン交換された後の、深さの関数として（４時間にわたる９２０℃でセラミック化後の）実施例１３１から形成されるガラスセラミックに存在するＫ＋イオンの濃度を示す。
図２０は、２つの異なる時間：８時間および１６時間にわたり、４３０℃の温度を有するＮａＮＯ３を含む溶融塩浴でイオン交換された後の、深さの関数として（４時間にわたる９２０℃でセラミック化後の）実施例１３１から形成されるガラスセラミックに存在するＮａ＋イオンの濃度を示す。
本明細書に記載される材料、方法および物品に対する様々な修正形態および変更形態をなすことができる。本明細書に記載される材料、方法および物品の他の態様は、本明細書の検討ならびに本明細書に開示される材料、方法および物品の実施から明らかである。本明細書および実施例は、例示として考えられるように意図される。
Claims (10)
- アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を含むガラスセラミック物品において、
４５〜７５モル％の範囲のＳｉＯ２；
４〜２５モル％の範囲のＡｌ２Ｏ３；
０〜１０モル％の範囲のＰ２Ｏ５；
０〜８モル％の範囲のＭｇＯ；
０〜３３モル％の範囲のＲ２Ｏ；
０〜８モル％の範囲のＺｎＯ；
０〜４モル％の範囲のＺｒＯ２；
０．５〜１２モル％の範囲のＴｉＯ２；および
０〜１２モル％の範囲のＢ２Ｏ３
を含む組成物であって、Ｒ２Ｏが、Ｎａ２Ｏ、Ｌｉ２ＯおよびＫ２Ｏの１種以上を含むものである組成物を含む、ガラスセラミック物品。 - （Ｒ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３）が−４〜４の範囲にあり、前記組成物が、
０〜１２モル％の範囲のＬｉ２Ｏ；
４〜２０モル％の範囲のＮａ２Ｏ；および
０〜２モル％の範囲のＫ２Ｏ；
２〜１０モル％の範囲のＢ２Ｏ３；および
０．１〜１０モル％の範囲のＰ２Ｏ５
を含む、請求項１に記載のガラスセラミック物品。 - アーマルコライトを含む５重量％以下の全結晶相、および
２０重量％までの全結晶相
のうちいずれか１つを含む、請求項１または２に記載のガラスセラミック物品。 - 前記ガラスセラミック物品の表面から圧縮応力層の深さまで延在する圧縮応力層をさらに含み、前記圧縮応力層が、２００ＭＰａ以上の圧縮応力および１５μｍ以上の圧縮応力層の深さを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラスセラミック物品。
- １０ｋｇｆ（９８Ｎ）以上のビッカーズ押込み亀裂開始負荷を示す、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガラスセラミック物品。
- アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を含むガラスセラミック物品において、１０ｋＰ（１ｋＰａ・ｓ）以上の液相粘度を有する前駆体ガラスから形成されたものである、ガラスセラミック物品。
- 発光物Ｄ６５を用い、かつ正反射率を排除し、分光光度計を使用して測定して、−２〜８の範囲のＣＩＥ ａ＊、−７〜３０の範囲のＣＩＥ ｂ＊、および８５〜１００の範囲のＣＩＥ Ｌ＊；および
発光物Ｆ０２を用い、かつ正反射率を含め、分光光度計を使用して測定して、−１〜０の範囲のＣＩＥ ａ＊、−８〜−３の範囲のＣＩＥ ｂ＊、および８０〜１００の範囲のＣＩＥ Ｌ＊
から選択される正反射率測定から決定されるＣＩＥＬＡＢ色空間座標で示される色を含む、請求項６に記載のガラスセラミック物品。 - １０ｋｇｆ（９８Ｎ）以上のビッカーズ押込み亀裂開始負荷を示す、請求項６または７に記載のガラスセラミック物品。
- アルミノシリケートガラス前駆体において、
４５〜７５モル％の範囲のＳｉＯ２；
４〜２５モル％の範囲のＡｌ２Ｏ３；
０〜１０モル％の範囲のＰ２Ｏ５；
０〜８モル％の範囲のＭｇＯ；
０〜３３モル％の範囲のＲ２Ｏ；
０〜８モル％の範囲のＺｎＯ；
０〜４モル％の範囲のＺｒＯ２；
０．５〜１２モル％の範囲のＴｉＯ２；および
０〜１２モル％の範囲のＢ２Ｏ３
を含む組成物であって、Ｒ２Ｏが、Ｎａ２Ｏ、Ｌｉ２ＯおよびＫ２Ｏの１種以上を含ものである組成物を含み、
前記組成物が、１０キロポアズ（ｋＰ）（１ｋＰａ・ｓ）以上の液相粘度を示す、アルミノシリケートガラス前駆体。 - アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を有するガラスセラミック物品の製造方法において、
ガラス物品のためのバッチを溶融させ、および前記ガラス物品を形成するステップであって、該ガラス物品が、
４５〜７５モル％の範囲のＳｉＯ２；
４〜２５モル％の範囲のＡｌ２Ｏ３；
０〜１０モル％の範囲のＰ２Ｏ５；
０．０１〜８モル％の範囲のＭｇＯ；
０〜３３モル％の範囲のＲ２Ｏ；
０〜８モル％の範囲のＺｎＯ；
０〜４モル％の範囲のＺｒＯ２；
０．５〜１２モル％の範囲のＴｉＯ２、および
０〜１２モル％の範囲のＢ２Ｏ３
を含む組成物であって、Ｒ２Ｏが、Ｎａ２Ｏ、Ｌｉ２ＯおよびＫ２Ｏの１種以上を含むものである組成物を有し、前記ガラス物品の形成の間、１０キロポアズ（ｋＰ）（１ｋＰａ・ｓ）以上の液相粘度および１４００℃未満の液相温度を示す、ステップと；
前記ガラス物品の焼鈍し温度よりも５０℃高い温度〜１１００℃の温度で、アナターゼ、ルチル、アーマルコライトまたはそれらの組合せを含む主結晶相を含むガラスセラミック物品を生成させる期間にわたり、前記ガラス物品をセラミック化するステップと；
前記ガラスセラミック物品を室温まで冷却するステップと；
任意選択的に、前記ガラスセラミック物品内に、２００ＭＰａ以上の圧縮応力を有し、前記ガラス物品の表面から１５μｍ以上の圧縮応力層の深さまで前記ガラス物品内に延在する圧縮応力層を達成するために、前記ガラスセラミック物品にイオン交換処理を施すステップと
を有してなる方法。
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