JP2022059028A - ペタライト及びリチウムシリケート構造を有する高強度ガラスセラミック - Google Patents
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Abstract
Description
SiO2:55‐80%;
Al2O3:2‐20%;
Li2O:5‐20%;
B2O3:0‐10%;
Na2O:0‐5%;
ZnO:0‐10%;
P2O5:0.5‐6%;及び
ZrO2:0.2‐15%。
K2O:0‐4%;
MgO:0‐8%;
TiO2:0‐5%;
CeO2:0‐0.4%;及び
SnO2:0.05‐0.5%。
SiO2:69‐80%;
Al2O3:6‐9%;
Li2O:10‐14%;
B2O3:0‐2%;
P2O5:1.5‐2.5%;及び
ZrO2:2‐4%。
SiO2:69‐80%;
Al2O3:6‐9%;
Li2O:10‐14%;
Na2O:1‐2%;
K2O:1‐2%;
B2O3:0‐12%;
P2O5:1.5‐2.5%;及び
ZrO2:2‐4%。
SiO2:65‐80%;
Al2O3:5‐16%;
Li2O:8‐15%;
Na2O:0‐3%;
K2O:0‐3%;
B2O3:0‐6%;
ZnO:0‐2%;
P2O5:0.5‐4%;及び
ZrO2:0.2‐6%。
SiO2:60‐80%;
Al2O3:5‐20%;
Li2O:5‐20%;
Na2O:0‐3%;
K2O:0‐3%;
B2O3:0‐6%;
ZnO:0‐4%;
P2O5:0.5‐4%;及び
ZrO2:0.2‐8%。
SiO2:55‐80%;
Al2O3:2‐20%;
Li2O:5‐20%;
B2O3:0‐10%;
Na2O:0‐5%;
ZnO:0‐10%;
P2O5:0.5‐6%;及び
ZrO2:0.2‐15%
を含むガラス組成物を形成するステップ;並びに
上記ガラス組成物をセラミック化(ceramming)して、ペタライト結晶質相及びリチウムシリケート結晶質相を含むガラスセラミック物品を形成するステップ
を含み、
上記ペタライト結晶質相及び上記リチウムシリケート結晶質相は、上記ガラスセラミック物品中に存在する他の結晶質相よりも高い重量百分率を有する。
K2O:0‐4%;
MgO:0‐8%;
TiO2:0‐5%;
CeO2:0‐0.4%;及び
SnO2:0.05‐0.5%。
SiO2:69‐80%;
Al2O3:6‐9%;
Li2O:10‐14%;
B2O3:0‐2%;
P2O5:1.5‐2.5%;及び
ZrO2:2‐4%。
SiO2:69‐80%;
Al2O3:6‐9%;
Li2O:10‐14%;
Na2O:1‐2%;
K2O:1‐2%;
B2O3:0‐12%;
P2O5:1.5‐2.5%;及び
ZrO2:2‐4%。
SiO2:65‐80%;
Al2O3:5‐16%;
Li2O:8‐15%;
Na2O:0‐3%;
K2O:0‐3%;
B2O3:0‐6%;
ZnO:0‐2%;
P2O5:0.5‐4%;及び
ZrO2:0.2‐6%。
SiO2:60‐80%;
Al2O3:5‐20%;
Li2O:5‐20%;
Na2O:0‐3%;
K2O:0‐3%;
B2O3:0‐6%;
ZnO:0‐4%;
P2O5:0.5‐4%;及び
ZrO2:0.2‐8%。
上述のように、ペタライト及びリチウムシリケートを一次結晶相として有する、透明又は半透明リチウム含有アルミノシリケートガラスセラミック組成物を得ることが望ましい。上記リチウムシリケート結晶相は、リチウムジシリケート又はリチウムメタシリケートであってよい。本明細書に開示されている上記ガラス及びガラスセラミック組成物の改善された特性としては、以下が挙げられる:1)上記ガラスは低融点(1500℃未満)を保持しながら、比較的高い液相粘度(>2000ポアズ)、並びに従来の圧延、成形及びフロートプロセスに適合可能な幅広い加工範囲を提供する;2)リチウムシリケートは主要な結晶相として保持され、これは上記ガラスセラミックに、固有の高い機械的強度及び破壊靭性をもたらす;並びに3)ペタライトは、第2の主要な結晶相であり、ガラスセラミックの透明性又は半透明性に寄与する微細な粒径を有し、また、更なる機械的強度のためにイオン交換できる。更に上記材料は、ある形状へと最小の変形でセラミック化でき、正確な形状へと容易に機械加工でき、従来のセラミック機械加工工具を用いて切断、穿孔、面取り、タップ、優れた光沢への研磨が可能であり、更には組成及び熱処理に応じて様々な度合いの半透明性を呈することができる。これらの特性により、上記ガラスセラミックは:カウンタートップ及び他の表面;手持ちタイプ、デスクトップタイプ及び壁設置タイプの消費者向け電子デバイスのカバー;家庭用器具のドア及び外装;床のタイル;壁のパネル;天井のパネル;ホワイトボード;飲料ボトル等の材料貯蔵コンテナ(ホローウェア類);食料販売及び貯蔵容器;軽量性、良好な耐摩耗性及び正確な寸法を必要とする機械部品といった、幅広い多数の用途に使用できる。上記ガラスセラミックは、その比較的低い粘度により、様々な方法を用いて3次元物品に形成できる。
いくつかの実施形態では、上記ガラスは、約50×10‐7/K以上、約50×10‐7/K以上、約60×10‐7/K以上、約61×10‐7/K以上、約62×10‐7/K以上、約63×10‐7/K以上、約64×10‐7/K以上、約65×10‐7/K以上、約66×10‐7/K以上、約67×10‐7/K以上、約68×10‐7/K以上、約69×10‐7/K以上、約70×10‐7/K以上、約71×10‐7/K以上、約72×10‐7/K以上、約73×10‐7/K以上、約74×10‐7/K以上、約75×10‐7/K以上、約76×10‐7/K以上、約77×10‐7/K以上、約78×10‐7/K以上、約79×10‐7/K以上、又は約80×10‐7/K以上の熱膨張係数を有することができる。
透明ガラスセラミックを得るための例示的なガラス及びガラスセラミックの組成(重量%)及び特性を表1に記載する。これらは、ガラス分野において慣用の技法に従って決定された。表1に列挙した組成1~16を有する前駆体ガラスを形成した。次にこれらの前駆体ガラスをセラミック化サイクルに供し、ここでは、ガラス均質化のために4時間に亘って540℃に保持し、核形成のために4時間に亘って600℃に保持し、結晶化のために4時間に亘って630~730℃の温度範囲に保持した。表1では、上記セラミック化サイクルを説明するために以下の術語を用いた:ガラス均質化温度‐保持時間/核形成温度‐保持時間/結晶化温度‐保持時間。
半透明ガラスセラミックを得るための例示的なガラス及びガラスセラミックの組成(重量%)及び特性を表2に記載する。これらは、ガラス分野において慣用の技法に従って決定された。表2に列挙した組成17~29を有する前駆体ガラスを形成した。次にこれらの前駆体ガラスを、以下の表2に示すセラミック化サイクルに供した。
ペタライト結晶質相;及び
リチウムシリケート結晶質相
を含む、ガラスセラミック物品であって、
上記ペタライト結晶質相及び上記リチウムシリケート結晶質相は、上記ガラスセラミック物品中に存在する他の結晶質相よりも高い重量百分率を有する、ガラスセラミック物品。
上記ペタライト結晶質相は、上記ガラスセラミック物品の20~70重量%を構成し、また上記リチウムシリケート結晶質相は、上記ガラスセラミック物品の20~60重量%を構成する、実施形態1に記載のガラスセラミック物品。
上記ペタライト結晶質相は、上記ガラスセラミック物品の45~70重量%を構成し、また上記リチウムシリケート結晶質相は、上記ガラスセラミック物品の20~50重量%を構成する、実施形態2に記載のガラスセラミック物品。
上記ペタライト結晶質相は、上記ガラスセラミック物品の40~60重量%を構成し、また上記リチウムシリケート結晶質相は、上記ガラスセラミック物品の20~50重量%を構成する、実施形態2に記載のガラスセラミック物品。
上記リチウムシリケート結晶質相は、リチウムジシリケート結晶質相又はリチウムメタシリケート結晶質相である、実施形態1~4のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
上記物品は透明である、実施形態1~5のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
上記物品は、厚さ1mmにおいて、400nm~1000nmの波長範囲の光に関して少なくとも85%の透過率を有する、実施形態6に記載のガラスセラミック物品。
上記物品は、厚さ1mmにおいて、400nm~1000nmの波長範囲の光に関して少なくとも90%の透過率を有する、実施形態6に記載のガラスセラミック物品。
上記物品は半透明であり、厚さ1mmにおいて、400nm~1000nmの波長範囲の光に関して20~85%未満の範囲の透過率を有する、実施形態1~5のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、重量%で:
SiO2:55‐80%;
Al2O3:2‐20%;
Li2O:5‐20%;
B2O3:0‐10%;
Na2O:0‐5%;
ZnO:0‐10%;
P2O5:0.5‐6%;及び
ZrO2:0.2‐15%
を含む組成を有する、実施形態1~9のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、重量%で:
K2O:0‐4%;
MgO:0‐8%;
TiO2:0‐5%;
CeO2:0‐0.4%;及び
SnO2:0.05‐0.5%
を更に含む組成を有する、実施形態10に記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、重量%で:
SiO2:69‐80%;
Al2O3:6‐9%;
Li2O:10‐14%;
B2O3:0‐12%;
P2O5:1.5‐2.5%;及び
ZrO2:2‐4%
を含む組成を有する、実施形態10に記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、重量%で:
SiO2:69‐80%;
Al2O3:6‐9%;
Li2O:10‐14%;
Na2O:1‐2%;
K2O:1‐2%;
B2O3:0‐12%;
P2O5:1.5‐2.5%;及び
ZrO2:2‐4%
を含む組成を有する、実施形態10に記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、重量%で:
SiO2:65‐80%;
Al2O3:5‐16%;
Li2O:8‐15%;
Na2O:0‐3%;
K2O:0‐3%;
B2O3:0‐6%;
ZnO:0‐2%;
P2O5:0.5‐4%;及び
ZrO2:0.2‐6%
を含む組成を有する、実施形態10に記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、重量%で:
SiO2:60‐80%;
Al2O3:5‐20%;
Li2O:5‐20%;
Na2O:0‐3%;
K2O:0‐3%;
B2O3:0‐6%;
ZnO:0‐4%;
P2O5:0.5‐4%;及び
ZrO2:0.2‐8%
を含む組成を有する、実施形態10に記載のガラスセラミック物品。
P2O5及びZrO2の重量百分率の合計は、3超である、実施形態10に記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、1MPa・m1/2以上の破壊靭性を有する、実施形態1~16のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、約600kgf/mm2(約5884N/mm2)以上のビッカース硬度を有する、実施形態1~17のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、約100MPa~約500MPaの範囲の表面圧縮応力を有する、実施形態1~18のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
少なくとも約30μmの層深さ(depth of layer:DOL)を有する圧縮応力層を更に備える、実施形態1~19のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は脆性でない、実施形態20に記載のガラスセラミック物品。
最長寸法500nm以下の粒子を更に含む、実施形態1~21のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
最長寸法100nm以下の粒子を更に含む、実施形態1~22のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
上記ガラスセラミック物品は、少なくとも300MPaのリング・オン・リング強度を有する、実施形態1~23のいずれか1つに記載のガラスセラミック物品。
ガラスセラミック物品を形成する方法であって、
上記方法は:
重量%で:
SiO2:55‐80%;
Al2O3:2‐20%;
Li2O:5‐20%;
B2O3:0‐10%;
Na2O:0‐5%;
ZnO:0‐10%;
P2O5:0.5‐6%;及び
ZrO2:0.2‐15%
を含むガラス組成物を形成するステップ;並びに
上記ガラス組成物をセラミック化して、ペタライト結晶質相及びリチウムシリケート結晶質相を含むガラスセラミック物品を形成するステップ
を含み、
上記ペタライト結晶質相及び上記リチウムシリケート結晶質相は、上記ガラスセラミック物品中に存在する他の結晶質相よりも高い重量百分率を有する、方法。
上記ガラス組成物は、重量%で:
K2O:0‐4%;
MgO:0‐8%;
TiO2:0‐5%;
CeO2:0‐0.4%;及び
SnO2:0.05‐0.5%
を更に含む、実施形態25に記載の方法。
上記ガラス組成物は、重量%で:
SiO2:69‐80%;
Al2O3:6‐9%;
Li2O:10‐14%;
B2O3:0‐12%;
P2O5:1.5‐2.5%;及び
ZrO2:2‐4%
を含む、実施形態25に記載の方法。
上記ガラス組成物は、重量%で:
SiO2:69‐80%;
Al2O3:6‐9%;
Li2O:10‐14%;
Na2O:1‐2%;
K2O:1‐2%;
B2O3:0‐12%;
P2O5:1.5‐2.5%;及び
ZrO2:2‐4%
を含む、実施形態25に記載の方法。
上記ガラス組成物は、重量%で:
SiO2:65‐80%;
Al2O3:5‐16%;
Li2O:8‐15%;
Na2O:0‐3%;
K2O:0‐3%;
B2O3:0‐6%;
ZnO:0‐2%;
P2O5:0.5‐4%;及び
ZrO2:0.2‐6%
を含む、実施形態25に記載の方法。
上記ガラス組成物は、重量%で:
SiO2:60‐80%;
Al2O3:5‐20%;
Li2O:5‐20%;
Na2O:0‐3%;
K2O:0‐3%;
B2O3:0‐6%;
ZnO:0‐4%;
P2O5:0.5‐4%;及び
ZrO2:0.2‐8%
を含む、実施形態25に記載の方法。
P2O5及びZrO2の重量百分率の合計は、3超である、実施形態25~30のいずれか1つに記載の方法。
上記ガラスセラミック物品をイオン交換して、少なくとも30μmの層深さを有する圧縮応力層を生成するステップを更に含む、実施形態25~31のいずれか1つに記載の方法。
上記セラミック化するステップは、以下の連続するステップ:
上記ガラス組成物をガラス予備核形成温度まで加熱するステップ;
上記ガラス予備核形成温度を所定の期間に亘って維持するステップ;
上記組成物を核形成温度まで加熱するステップ;
上記核形成温度を所定の期間に亘って維持するステップ;
上記組成物を結晶化温度まで加熱するステップ;及び
上記結晶化温度を所定の期間に亘って維持するステップ
を含む、実施形態25~32のいずれか1つに記載の方法。
上記セラミック化するステップは、以下の連続するステップ:
上記組成物を核形成温度まで加熱するステップ;
上記核形成温度を所定の期間に亘って維持するステップ;
上記組成物を結晶化温度まで加熱するステップ;及び
上記結晶化温度を所定の期間に亘って維持するステップ
を含む、実施形態25~30のいずれか1つに記載の方法。
上記ペタライト結晶質相は、上記ガラスセラミック物品の20~70重量%を構成し、またリチウムシリケート結晶質相は、上記ガラスセラミック物品の20~60重量%を構成する、実施形態25~33のいずれか1つに記載の方法。
Claims (10)
- 55重量%から73重量%のSiO2;
6重量%から10重量%のAl2O3;
12重量%から16重量%のLi2O;
1重量%から3重量%のNa2O;
4重量%から6重量%のP2O5;及び
4重量%から15重量%のZrO2を含む前駆体ガラス組成物。 - 4重量%から5重量%のP2O5を含む、請求項1項記載の前駆体ガラス組成物。
- 4重量%から10重量%のZrO2を含む、請求項1または2記載の前駆体ガラス組成物。
- 12重量%から14重量%のLi2Oを含む、請求項1~3のいずれか一項記載の前駆体ガラス組成物。
- 0重量%から3重量%のTiO2,MnO,ZnO,Nb2O5,MoO3,Ta2O5,WO3,ZrO2,Y2O3,La2O3,HfO2,CdO,SnO2,Fe2O3,CeO2,As2O3,Sb2O3,またはそれらの組合せを含む、請求項1~4のいずれか一項記載の前駆体ガラス組成物。
- 55重量%か73重量%のSiO2;
6重量%から10重量%のAl2O3;
12重量%から16重量%のLi2O;
1重量%から3重量%のNa2O;
4重量%から6重量%のP2O5;及び
4重量%から15重量%のZrO2を含み、
粒子を含み、該粒子は100nm未満の最長寸法を有する、ガラスセラミック物品。 - 1つ又はそれ以上のリチウムシリケート結晶質相を含む相の組み合わせを有する、請求項6記載のガラスセラミック物品。
- 前記1つ又はそれ以上のリチウムシリケート結晶質相が、リチウムメタシリケートを含む、請求項7記載のガラスセラミック物品。
- 前記相の組み合わせが20重量%から60重量%の前記リチウムメタシリケートを含む、請求項8記載のガラスセラミック物品。
- 前記相の組み合わせが、さらにLi3PO4結晶質相を含む、請求項7記載のガラスセラミック物品。
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