TW201736311A - 用於製備強化的鋰基玻璃製品的方法及鋰基玻璃製品 - Google Patents

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Abstract

揭露了一種用於強化玻璃製品的方法及由該方法所形成的強化玻璃製品。該方法包括使玻璃製品與離子交換溶液接觸約4小時至約8小時。離子交換溶液具有從約370℃至約410℃的溫度。離子交換溶液包括約65mol.%至約75mol.%的KNO3和從約25mol.%至約35mol.%的NaNO3。在接觸之前，玻璃製品具有約55mol.%至約75mol.%的SiO2、約8mol.%至約15mol.%的Al2O3、約5mol.%至約12mol.%的Na2O、約8mol.%至約14mol.%的Li2O；0mol.%至約1mol.%的K2O、0mol.%至約2mol.%的MgO、0mol.%至約2mol.%的CaO和0mol.%至約2mol.%的ZrO2的組成。

Description

用於製備強化的鋰基玻璃製品的方法及鋰基玻璃製品
本說明書大體關於玻璃製品，且更具體地關於已經化學強化並具有高耐摔性和耐磨性的鋰基玻璃製品。
玻璃製品通常利用於各種消費和商業應用中，諸如電子應用、汽車應用及甚至建築應用。例如，諸如行動電話、計算機監視器、GPS裝置、電視機及類似者的消費電子裝置通常併入玻璃製品作為顯示器的一部分。在該等裝置的一些中，玻璃製品亦被利用以實現功能，諸如當顯示器是觸控螢幕時。該等裝置的許多是可攜式的，且因此，併入在裝置中的玻璃製品需要足夠堅固，以在使用和運輸兩者期間抵抗衝擊及/或損壞，諸如裂縫、刮痕及類似者。
根據一個實施例，一種用於強化玻璃製品的方法包含以下步驟：將玻璃製品與離子交換溶液接觸從大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的持續時間，離子交換溶液在接觸期間具有從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的溫度；及將離子交換溶液與玻璃製品分離。離子交換溶液包含從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 和從大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 。在接觸之前，玻璃製品包含從大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 、大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 、大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O、大於或等於約8mol.%至小於或等於約14mol.%的Li2 O；大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO及大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 。
根據另一個實施例，一種用於生產強化玻璃製品的方法基本上由以下步驟所組成：使玻璃製品與離子交換溶液接觸從大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的持續時間，離子交換溶液在接觸期間具有大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的溫度；及將離子交換溶液與玻璃製品分離。離子交換溶液包含從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 和從大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 。在接觸之前，玻璃製品包含從大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 、大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 、大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O、大於或等於約8mol.%至小於或等於約14mol.%的Li2 O；大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO及大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 。
根據另外的實施例，一種藉由一方法所形成的強化鋁矽酸鹽玻璃製品，該方法包含以下步驟：將前驅物玻璃製品和離子交換溶液接觸從大於或等於約4小時至小於或等於約8小時，離子交換溶液在接觸期間具有從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的溫度；及將離子交換溶液與前驅物玻璃製品分離，產出強化鋁矽酸鹽玻璃製品。離子交換溶液包含從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 和大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 。前驅物玻璃製品包含從大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 、大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 、大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O、大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Li2 O；大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的K2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO及大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 。強化鋁矽酸鹽玻璃製品能承受從大於或等於約190cm的高度的摔落測試。
在本揭露書的態樣（1）中，提供了一種用於強化玻璃製品的方法。該方法包含以下步驟：將玻璃製品與離子交換溶液接觸從大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的持續時間，離子交換溶液具有在接觸期間為從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的溫度；及將離子交換溶液與玻璃製品分離，其中：離子交換溶液包含：從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 及從大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 ，且在接觸之前，玻璃製品包含：大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 、大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 、大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O、大於或等於約8mol.%至小於或等於約14mol.%的Li2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO及大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 。
在本揭露書的態樣（2）中，提供了用於強化態樣（1）的​​玻璃製品的方法，其中玻璃製品的厚度小於或等於約1mm。
在本揭露書的態樣（3）中，提供了用於強化態樣（1）或（2）的玻璃製品的方法，其中玻璃製品的厚度從大於或等於約0.45mm至小於或等於約0.85mm。
在本揭露書的態樣（4）中，提供了用於強化態樣（1）至（3）之任一者的玻璃製品的方法，其中接觸的持續時間為從大於或等於約5小時至小於或等於約7小時。
在本揭露書的態樣（5）中，提供了用於強化態樣（1）至（4）之任一者的玻璃製品的方法，其中離子交換溶液在接觸期間具有從大於或等於約380℃至小於或等於約400℃的溫度。
在本揭露書的態樣（6）中，提供了用於強化態樣（1）至（5）之任一者的玻璃製品的方法，其中離子交換溶液包含：從大於或等於約68mol.%至小於或等於約72mol.%的KNO3 及大於或等於約28mol.%至小於或等於約32mol.%的NaNO3 。
在本揭露書的態樣（7）中，提供了用於強化態樣（1）至（6）之任一者的玻璃製品的方法，其中離子交換溶液包含約70mol.%的KNO3 和約30mol.%的NaNO3 。
在本揭露書的態樣（8）中，用於強化態樣（1）至（7）之任一者的玻璃製品的方法，其中玻璃製品包含：大於或等於約62mol.%至小於或等於約68mol.%的SiO2 、大於或等於約10mol.%至小於或等於約13mol.%的Al2 O3 、大於或等於約7mol.%至小於或等於約10mol.%的Na2 O、大於或等於約9mol.%至小於或等於約13mol.%的Li2 O、大於或等於0.01mol.%至小於或等於約0.07mol.%的K2 O、大於或等於0.01mol.%至小於或等於約0.5mol.%的MgO及大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的CaO。
在本揭露書的態樣（9）中，提供了一種用於生產強化玻璃製品的方法。該方法基本上由以下步驟所組成：使玻璃製品與離子交換溶液接觸從大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的持續時間，離子交換溶液在接觸期間具有從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的溫度；及將離子交換溶液與玻璃製品分離，其中：離子交換溶液基本上由以下所組成：從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 及從大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 ，且在接觸之前，玻璃製品基本上由以下所組成：大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 、大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 、大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O、大於或等於約8mol.%至小於或等於約14mol.%的Li2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO及大於或等於0mol. %到至小於或等於約2mol.%的ZrO2 。
在本揭露書的態樣（10）中，提供了用於生產態樣（9）的強化玻璃製品的方法，其中離子交換溶液基本上由以下所組成：從大於或等於約68mol.%至小於或等於約72mol.%的KNO3 及從大於或等於約28mol.%至小於或等於約32mol.%的NaNO3 。
在本揭露書的態樣（11）中，提供了用於生產態樣（9）或（10）的強化玻璃製品的方法，其中玻璃製品基本上由以下所組成：大於或等於約62mol.%至小於或等於約68mol.%的SiO2 、大於或等於約10mol.%至小於或等於約13mol.%的Al2 O3 、大於或等於約7mol.%至小於或等於約10mol.%的Na2 O、大於或等於約9mol.%至小於或等於約13mol.%的Li2 O、大於或等於0.01mol.%至小於或等於約0.07mol.%的K2 O、大於或等於0.01mol.%至小於或等於約0.05mol.%的MgO及大於或等於0.2mol.%至小於或等於約1mol.%的CaO。
在本揭露書的態樣（12）中，用於生產態樣（9）至（11）之任一者的強化玻璃製品的方法，其中離子交換溶液在接觸期間具有從大於或等於約380℃至小於或等於約400℃的溫度。
在本揭露書的態樣（13）中，提供了強化鋁矽酸鹽玻璃製品。強化鋁矽酸鹽玻璃製品藉由一方法所形成，該方法包含以下步驟：將前驅物玻璃製品和離子交換溶液接觸大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的持續時間，離子交換溶液在接觸期間具有從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的溫度；及將離子交換溶液與前驅物玻璃製品分離，產出強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中：離子交換溶液包含：從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 及從大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 ，前驅物玻璃製品包含：大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 、大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 ，大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O、大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Li2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的K2 O、大於或等於至0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO及大於或等於至0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 ，且強化鋁矽酸鹽玻璃製品能承受從大於或等於約190cm的高度的摔落測試。
在本揭露書的態樣（14）中，提供了態樣（13）的強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中前驅物玻璃製品包含：大於或等於約62mol.%至小於或等於約68%的SiO2 、大於或等於約10mol.%至小於或等於約13mol.%的Al2 O3 、大於或等於約7mol.%至小於或等於約11mol.%的Na2 O、大於或等於約9mol.%至小於或等於約12mol.%的Li2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O、大於或等於至0mol.%至小於或等於約1mol.%的MgO及大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的CaO。
在本揭露書的態樣（15）中，態樣（13）或（14）的強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中強化鋁矽酸鹽玻璃製品能承受從大於或等於約200cm的高度的摔落測試。
在本揭露書的態樣（16）中，態樣（13）至（15）之任一者的強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中強化鋁矽酸鹽玻璃製品能承受從大於或等於約220cm的高度的摔落測試。
在本揭露書的態樣（17）中，態樣（13）至（16）之任一者的強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中強化鋁矽酸鹽玻璃製品具有小於或等於約0.8mm的厚度及大於或等於約35kgf的耐磨性。
在本揭露書的態樣（18）中，態樣（13）至（17）之任一者的強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中強化鋁矽酸鹽玻璃製品具有小於或等於約0.55mm的厚度及大於或等於約15kgf的耐磨性。
在本揭露書的態樣（19）中，態樣（13）至（18）之任一者的強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中離子交換溶液包含：從大於或等於約68mol.%至小於或等於約72mol.%的KNO3 及從大於或等於約28mol.%至小於或等於約32mol.%的NaNO3 。
在本揭露書的態樣（20）中，態樣（13）至（19）之任一者的強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中離子交換溶液在接觸期間具有從大於或等於約380℃至小於或等於約400℃的溫度。
在本揭露書的態樣（21）中，提供了一種消費電子產品。消費電子產品包含：外殼，具有前表面、後表面和側表面；電子部件，至少部分地設置在外殼內，電子部件包括至少控制器、記憶體和顯示器，顯示器設置在外殼的前表面處或附近；及覆蓋玻璃，設置在顯示器之上方，其中外殼的一部分或覆蓋玻璃的至少一者包含態樣（13）至（20）之任一者的強化鋁矽酸鹽玻璃製品。
額外的特徵和優點將在以下的實施方式中闡述，且部分地對於熟悉該技術者而言，從該實施方式將容易地明白，或藉由實施於此所述的實施例而認識，包括以下的實施方式、申請專利範圍及附隨的圖式。
應當理解，前面的發明內容和以下的實施方式都描述了各種實施例，且意欲提供用於理解所要求保護的標的的本質和特徵的概述或框架。包括有附隨的圖式以提供對各種實施例的進一步理解，且被併入並構成本說明書的一部分。附隨的圖式顯示了於此所述的各種實施例，且與說明書一起用以解釋所要求保護的標的的原理和操作。
於此揭露了用於強化玻璃製品的方法。該方法的一些實施例包含使玻璃製品與離子交換溶液接觸大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的持續時間，離子交換溶液在接觸期間具有從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的溫度。在接觸之後，分離離子交換溶液和玻璃製品。在一些實施例中，離子交換溶液包含從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 及大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 。在一些實施例中，玻璃製品（在接觸之前）包含從大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 、大於或等於約8mol.%至少於或等於約15mol.%的Al2 O3 、大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O、大於或等於約8mol.%等於約14mol.%的Li2 O;大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO、大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO及大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 。
根據一些實施例的玻璃組合物是鋁矽酸鋰玻璃。下面藉由其各個組分而描述與離子交換溶液接觸之前的玻璃製品的組合物。儘管玻璃組合物的成分的特定玻璃組合和範圍分別在下文提供，但是應當理解玻璃組合物的各種成分可沒有限制地組合，且在本揭露書的實施例中可想到所有可能的成分的組合。
在一些實施例中，SiO2 是玻璃組合物的最大成分，因此，SiO2 是由玻璃組合物所形成的玻璃網路的主要成分。純SiO2 具有相對低的熱膨脹係數（CTE）。然而，純SiO2 具有高熔點。因此，若玻璃組合物中的SiO2 的濃度過高，則玻璃組合物的可成形性可能降低，因為較高濃度的SiO2 增加了熔融玻璃的難度，此又對玻璃的可成形性產生不利影響。低SiO2 玻璃(諸如(例如)具有小於50mol.%SiO2 的玻璃)傾向於具有差的耐久性和耐失透性，因此為了易於成形，具有大於55mol.%的SiO2 是實用的。
在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度為從大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 ，諸如大於或等於約60mol.%至小於或等於約70mol.%，大於或等於約62mol.%至小於或等於約68mol.%，大於或等於約64mol.%至小於或等於約66mol.%，約65mol.%的SiO2 ，或其中所包含的任何子範圍。
一些實施例的玻璃組合物進一步包含除了SiO2 之外的Al2 O3 。Al2 O3 用作玻璃網路形成體，與SiO2 類似。Al2 O3 增加玻璃組合物的黏度。然而，當Al2 O3 的濃度與玻璃組合物中的SiO2 的濃度及(任選地)在玻璃組合物中的鹼金屬氧化物的濃度平衡時，Al2 O3 可降低玻璃熔體的液相線溫度，從而提高液相線黏度，並改善具有某些成形製程的玻璃組合物的相容性，例如，下拉法及類似者。此外，Al2 O3 提高了鹼性矽酸鹽玻璃的離子交換效能。
在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度從大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 ，諸如大於或等於約9mol.%至小於或等於約14mol.%，大於或等於約10mol.%至小於或等於約13mol.%，大於或等於約11mol.%至小於或等於約12mol.%，或其中所包含的任何子範圍。
可向玻璃組合物添加鹼金屬氧化物（以下稱為「R2 O」，其中「R」是一或多個鹼金屬），以降低玻璃的黏度並提高其可熔融性和可成形性。此外，鹼金屬氧化物還能夠進行改變玻璃的應力和折射率輪廓兩者的離子交換。當R2 O的含量太大時，玻璃的熱膨脹係數變得太大，且玻璃的耐熱衝擊性可能降低。於此所揭露的玻璃組合物包含Li2 O作為鹼金屬氧化物。在一些實施例中，除了Li2 O之外，玻璃組合物包含Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O的一種或多種作為鹼金屬氧化物。
在一些實施例中，組合物包含濃度為從大於或等於約8mol.%至小於或等於約14mol.%的Li2 O，諸如大於或等於約9mol.%至小於或等於約13mol.%，大於或等於約10mol.%至小於或等於約12mol.%，大於或等於約10mol.%至小於或等於約11mol.%，或其中所包含的任何子範圍。
在一些實施例中，組合物包含濃度為大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O，例如大於或等於約6mol.%至小於或等於約11mol.%，大於或等於約7mol.%至小於或等於約10mol.%，大於或等於約8mol.%至小於或等於約10mol.%，或其中包含的任何子範圍。
在一些實施例中，組合物包含濃度為從大於或等於約0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O，諸如大於或等於約0.01mol.%至小於或等於約0.5mol.%，大於或等於約0.01mol.%至小於或等於約0.07mol.%，或其中所包含的任何子範圍。
在一些實施例中，玻璃組合物包含總濃度為從大於或等於約14mol.%至小於或等於約22mol.%的R2 O，諸如大於或等於約15mol.%至小於或等於約20mol.%，大於或等於約16mol.%至小於或等於約19mol.%，大於或等於約17mol.%至小於或等於至約18mol.%，或其中所包含的任何子範圍。
在玻璃組合物中包括相對高量的R2 O允許在離子交換製程期間強化小的鹼金屬離子和大的鹼金屬離子的離子相互擴散（例如，在約400℃的熔融KNO3 及/或NaNO3 鹽浴中的離子交換）。不受任何特定理論的約束，相對較高量的R2 O可用作Al3+ 的電荷補償器，從而形成與氧四面體配位的電荷平衡單元。此種四面體配位允許更強的玻璃製品。
為了保持高的耐壓痕損傷性，根據一些實施例的玻璃組合物具有從大於或等於約0.5:1至小於或等於約1.0:1.0的Al2 O3 與R2 O的莫耳比率，諸如大於或等於約0.75：1.0至小於或等於1.0：1.0，或其中所包含的任何子範圍。在一些實施例中，玻璃組合物具有Al2 O3 與Li2 O的莫耳比大於或等於約0.8:1.0至小於或等於約1.2:1.0，諸如大於或等於約0.9:1.0至小於或等於約1.1:1.0，或其中所包含的任何子範圍。
玻璃組合物可-在一些實施例中-含有其它元素，諸如鹼土金屬氧化物。在一些實施例中，鹼土金屬氧化物可選自MgO、CaO、SrO、BaO及其組合。可加入該等氧化物以增加玻璃的可熔融性，耐久性和穩定性。此外，可添加鹼土金屬氧化物作為穩定劑，其有助於防止在曝露於環境條件時玻璃組合物的降解。然而，向玻璃組合物添加過多的鹼土金屬氧化物可能降低其可成形性。
在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度為從大於或等於0mol.%至小於或等於約3.0mol.%的鹼土金屬氧化物，諸如大於或等於約0.5mol.%至小於或等於約2.5mol.%，大於或等於約1.0mol.%至小於或等於約2.0mol.%，或其中所包含的任何子範圍。在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度從大於或等於約0mol.%至小於或等於約2.0mol.%的CaO，諸如大於或等於約0.2mol.%至小於或等於約1.0mol.%，或其中所包含的任何子範圍。在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度從大於或等於約0mol.%至小於或等於約2.0mol.%的MgO，諸如大於或等於約0.01mol.%至小於或等於約0.5mol.%，或其中所包含的任何子範圍。
玻璃組合物的實施例可包括可增加玻璃組合物的化學耐久性的ZrO2 。此外，ZrO2 還可增加玻璃轉變溫度，並降低玻璃組合物的熱膨脹係數。然而，大量的ZrO2 可能降低玻璃組合物的可成形性。在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度從大於或等於約0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 ，諸如大於或等於約0.5mol.%至小於或等於約1.8mol.%，大於或等於約0.8mol.%至小於或等於約1.5mol.%，或其中所包含的任何子範圍。
在一些實施例中，玻璃組合物可包含澄清劑，諸如SnO2 、硫酸鹽、氯化物、溴化物、Sb2 O3 、As2 O3 、SrO、TiO2 、Fe2 O3 及Ce2 O3 。在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度為從大於或等於0mol.%至小於或等於約1.0mol.%的一或多種澄清劑，諸如大於或等於約0.002mol.%至大於或等於約0.9mol.%，大於或等於約0.05mol.%至小於或等於約0.8mol.%，大於或等於約0.1mol.%至小於或等於約0.7mol.%，大於或等於約0.1mol.%至小於或等於約0.3mol.%，約0.15mol.%，或其中所包含的任何子範圍。在採用硫酸鹽作為澄清劑的實施例中，硫酸鹽可包括從大於或等於約0.001mol.%至小於或等於約0.1mol.%的量。
在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度為從大於或等於約0mol.%至小於或等於約0.01mol.%的SnO2 ，諸如從大於或等於約0mol.%至小於或等於約0.001mol.%，或其中所包含的任何子範圍。在一些其它實施例中，玻璃組合物包含濃度為從大於或等於約0mol.%至小於或等於約0.1mol.%的TiO2 ，諸如從大於或等於約0.01mol.%至小於或等於約0.05mol.%，或其中所包含的任何子範圍。在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度為從大於或等於約0mol.%SrO至小於或等於約0.1mol.%的SrO，諸如從大於或等於約0.001mol.%至少於或等於約0.05mol.%，或其中所包含的任何子範圍。在一些實施例中，玻璃組合物包含濃度為從大於或等於約0mol.%至小於或等於約0.1mol.%的Fe2 O3 ，諸如從大於或等於約0.01mol.%至小於或等於約0.05mol.%，或其中所包含的任何子範圍。
根據於此所揭露的實施例的玻璃可形成為玻璃製品，諸如(例如)玻璃片。在一些實施例中，玻璃組合物具有至少130千泊的液相線黏度，且可藉由合適的成形技術而可向下拉伸，例如(但不限於)熔融拉伸製程，狹縫拉伸製程和重新拉伸製程。在其他實施例中，玻璃片可藉由浮法製程所製成。
玻璃組合物可形成為具有任何適當厚度的玻璃製品，諸如(例如)玻璃片。例如，對於在諸如觸控螢幕的電子裝置或用於行動電話、計算機（包括膝上型電腦和平板電腦）和ATM的觸控螢幕蓋玻璃中使用的玻璃製品而言，玻璃製品可具有小於或等於約1mm的厚度。在一些實施例中，玻璃製品具有大於或等於約0.2mm至小於或等於約1mm的範圍中的厚度，諸如大於或等於約0.4mm至小於或等於約1mm，大於或等於約0.45mm至小於或等於約0.85mm，或其中所包含的任何子範圍。
根據一些實施例，玻璃製品被化學強化，諸如(例如)藉由離子交換。適於離子交換的玻璃組合物通常含有較小​​的一價鹼金屬離子，諸如(例如)Li離子，其可被較大的一價鹼金屬離子，諸如(例如)Na，K，Rb或Cs離子而交換。在一些實施例中，玻璃組合物最初包含在離子交換製程期間被Na離子所取代的Li離子。適用於此種類型的離子交換的示例性玻璃組合物論述於上。
離子交換製程包括使玻璃製品與離子交換溶液接觸。玻璃製品可藉由噴霧，浸漬，塗佈或其它沉積技術而與離子交換溶液接觸。在一些實施例中，離子交換製程包含將玻璃製品浸入離子交換溶液的熔融浴中。選擇離子交換條件而強化在離子交換溶液中存在的較大離子（諸如Na離子或K離子）對在玻璃製品的基質中的較小離子（例如Li離子）的取代。參考第1圖，以上所述的離子交換製程在與離子交換溶液接觸的玻璃製品100的表面處形成壓應力層110。儘管第1圖僅顯示了具有壓應力層110的一個表面，應當理解壓應力層110可形成在玻璃製品100的多個表面上。壓應力層110具有有助於玻璃製品的強度的至少兩個可量測參數：在第1圖中由「D」所表示的層深度（DOL）和壓縮應力（CS）。
選擇在玻璃製品和離子交換溶液之間接觸的持續時間以強化以在離子交換溶液中的較大離子對玻璃基質中的較小離子的交換。在一些實施例中，玻璃製品與離子交換溶液接觸從大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的持續時間，諸如大於或等於約5小時至小於或等於約7小時，大於或等於約5.5小時至小於或等於約6.5小時，或其中所包含的任何子範圍。
選擇在玻璃製品與離子交換溶液接觸期間的離子交換溶液的溫度，以強化以在離子交換溶液中的較大離子對玻璃製品中的較小離子的交換。在一些實施例中，在玻璃製品與離子交換溶液接觸期間的離子交換溶液的溫度為從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃，諸如大於或等於約380℃至小於或等於約400℃，大於或等於約385℃至小於或等於約395℃，約390℃，或其中所包含的任何子範圍。
離子交換溶液的組成有助於離子交換製程的有效性，從而改善玻璃製品的效能。例如，且不受任何特定理論的束縛，含有鋰的玻璃組合物可進行離子交換製程，其藉由進行兩個步驟製程而產出深的DOL，其中玻璃製品首先與100%的NaNO3 的熔融浴接觸，接著藉由使玻璃製品與100%的KNO3 的熔融浴接觸。此外，包含將玻璃製品與包含95%的KNO3 和5%的NaNO3 的熔融浴接觸的一個步驟的離子交換製程將產出具有深的層深度的玻璃製品。然而，單獨的深的層深度不能確保良好的耐磨性和強度。相比之下，在於此揭露的持續時間和溫度下使用具有特定組成的離子交換溶液為玻璃製品提供了良好的耐磨性和良好的強度。
在一些實施例中，離子交換溶液包含NaNO3 和KNO3 的混合物。在一些實施例中，離子交換溶液包含濃度從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 ，且包含濃度為從大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 。在一些其它實施例中，離子交換溶液包含濃度從大於或等於約68mol.%至小於或等於約72mol.%的KNO3 ，且包含濃度為從大於或等於約28mol.%至小於或等於約32mol.%的NaNO3 。在又一些其它實施例中，離子交換溶液包含濃度為約70mol.%的KNO3 ，且包含濃度為約30mol.%的NaNO3 。
使用於此所揭露的玻璃組合物和離子交換條件提供具有良好耐磨性的高強度玻璃製品。根據於此所揭露的實施例而形成的強化玻璃製品的強度和耐磨性藉由以下所述的摔落和研磨測試而量測。
如本揭露書中所使用的，玻璃製品的強度藉由兩個步驟的摔落測試而量測。對於摔落測試而言，切割玻璃製品且加工切割邊緣-諸如藉由研磨、拋光、蝕刻等-使得切割的玻璃製品具有可放置在手持裝置中的尺寸（諸如行動電話），原來的覆蓋玻璃已從手持裝置移除。在切割和邊緣加工之後，玻璃製品經歷離子交換製程。一旦離子交換製程完成，將強化的玻璃製品洗滌、乾燥並固定到手持裝置中，以形成測試裝置。兩個步摔落測試的第一步驟包括將測試裝置放置在第一定向上，並將裝置在第一方向上的測試裝置從1米的高度摔落到平滑的花崗岩片上。若測試裝置中的玻璃製品一旦摔落時破裂，則會被丟棄且測試不會繼續。但是，若測試裝置中的玻璃製品不破裂，將未破裂的測試裝置接著放置在第二定向上，且從1米摔落到平滑的花崗岩片上。此製程重複於18個不同的定向。在所有的18個定向上摔落之後未破裂的測試裝置接著進入到兩個步驟摔落測試的第二步驟。
摔落測試的第二步驟只在摔落測試的第一步驟前間沒有破裂的測試裝置上進行。在摔落測試的第二步中，將測試裝置從各種高度摔落到180砂礫砂紙上。測試裝置經定向成使得玻璃製品是與砂紙接觸的測試裝置的第一部分。測試裝置從22cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm、100cm、110cm、120cm、130cm、140cm、150cm、 160cm、170cm、180cm、190cm、200cm、210cm和221cm的高度摔落。接著將玻璃製品破裂的高度記錄為那個測試裝置的摔落高度。然而，若在測試裝置中的玻璃製品當在一定高度摔落時不會破裂，可說該玻璃製品在那個高度處「能承受」摔落測試。作為實例，當在130cm處摔落時不破裂但在140cm處摔落時破裂的測試裝置中的玻璃製品可描述為能承受在130cm的摔落測試且具有140cm的失效高度。
在一些實施例中，玻璃製品能承受從大於或等於約190cm的高度的摔落測試，諸如大於或等於約200cm，大於或等於約210cm，大於或等於至約221 cm，或更多。
使用研磨的環疊環（AROR）測試來量測於此所論述的耐磨性。材料的強度定義為發生斷裂的應力。AROR測試是用於測試平板玻璃樣品的表面強度量測，且標題為「Standard Test Method for Monotonic Equibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature」的ASTM C1499-09（2013）作為用於於此所述的AROR測試方法的基礎。ASTM C1499-09的內容藉由引用其全文的方式而併入於此。在以90粒度的碳化矽（SiC）顆粒進行環疊環測試之前，使用ASTM C158-02（2012）（標題為「Standard Test Methods for Strength of Glass by Flexure (Determination of Modulus of Rupture」）的附件A2（標題為「abrasion Procedures」）中所述的方法和設備將玻璃樣品研磨，90粒度的碳化矽（SiC）顆粒輸送到玻璃試樣。ASTM C158-02的內容和附件2的內容特別地藉由引用其全文的方式而併入於此。
在環疊環測試之前，如ASTM C158-02，附件2中所述般研磨基於玻璃的製品的表面，以使用在ASTM C158-02的第A2.1圖中所示的設備對試樣的表面缺陷狀況進行正常化及/或控制。使用304kPa（44psi）的空氣壓力，將研磨材料以104千帕（kPa）的負載（15磅力/平方英寸（psi））噴砂到基於玻璃的製品的表面上。在空氣流動建立之後，將5cm3 的研磨材料倒入漏斗中，且在引入研磨材料之後將試樣噴砂5秒鐘。
對於AROR測試而言，如第2圖中所示的具有至少一個研磨表面的玻璃基製品被放置在兩個不同大小的同心環之間，以確定等軸彎曲強度（亦即，當材料在兩個同心環之間經受彎曲時能夠維持的最大應力）。在AROR配置400中，研磨的玻璃基製品410藉由具有直徑D2的支撐環420所支撐。力F藉由負載單元（未顯示），藉由具有直徑D1的負載環430而施加到玻璃基製品的表面。
負載環和支撐環的直徑的比例D1/D2可在從0.2至0.5的範圍中。在一些實施例中，D1/D2為0.5。負載和支撐環130、120應當同心地對準到支撐環直徑D2的0.5%內。用於測試的負載單元應在所選範圍內的任何負載下精確到±1%以內。測試在23±2℃的溫度和40±10%的相對濕度下進行。
對於夾具設計而言，負載環430的突出表面的半徑r在h/2≤r≤3h/2的範圍中，其中h是玻璃基製品410的厚度。負載環和支撐環430、420由硬度為HRc＞ 40的硬化鋼所製成。AROR夾具是可商業取得的。
用於AROR測試的預期失效機制是觀察源自負載環430內的表面430a的玻璃基製品410的斷裂。在此區域之外側-亦即，在負載環430和支撐環420之間-發生的失效從資料分析中省略。然而，由於玻璃基製品410的薄度和高強度，有時會觀察到超過樣本厚度h的1/2的大偏轉。因此，觀察到來自負載環430之下的較大百分比的失效是不常見的。若不知道在環內側和環之下方的應力發展的知識（經由應變儀分析而收集）和在每一樣品中的失效起源，則不能精確地計算應力。因此，AROR測試將重點放在作為量測回應的失效的峰值負載。
玻璃基製品的強度取決於表面缺陷的存在。然而，由於玻璃的強度本質上是統計學的，存在給定尺寸的缺陷的可能性不能被精確地預測。因此，在某些情況下，概率分佈可用作所獲得的資料的統計表示。
在實施例中，具有大於或等於約0.8mm的厚度的玻璃製品具有大於或等於約35kgf的耐磨性，諸如大於或等於約37kgf。在其它實施例中，具有大於或等於約0.8mm的厚度的玻璃製品具有大於或等於約39kgf的耐磨性，諸如大於或等於約40kgf。在實施例中，厚度小於或等於約0.55mm的玻璃製品具有大於或等於約15kgf的耐磨性，諸如大於或等於約17kgf。在其它實施例中，具有厚度小於或等於約0.55mm的玻璃製品具有大於或等於約18kgf的耐磨性，諸如大於或等於約19kgf。
於此所揭露的強化玻璃製品可結合到另一個物品中，諸如具有顯示器（或顯示器物品）的物品（如，消費電子產品，包括行動電話、平板電腦、計算機、導航系統及類似者），建築物品，運輸物品（如，汽車、火車、航空器、航海器等），器具物品或需要一些透明度，耐擦傷性，耐磨性或其組合的物品。包含於此所揭露的任何強化製品的示例性製品在第3A和3B圖中顯示。具體地，第3A和3B圖顯示了消費電子裝置200，包括具有前部204、後部206和側面208的外殼202；電子部件（未圖示），至少部分地在外殼內部或完全在外殼內，且包括在外殼的前表面處或附近的至少一個控制器、記憶體和顯示器210；及在外殼的前表面處或上方的覆蓋基板212，使得其在顯示器之上方。在一些實施例中，覆蓋基板212或外殼202可包括於此所揭露的任何強化玻璃製品。例子
本揭露書的實施例將藉由以下非限制性的實例而進一步闡明。
藉由混合和熔化以下組分而製備玻璃試樣：65.38mol.%的SiO2 、11.04mol.%的Al2 O3 、9.69mol.%的Na2 O、0.06mol.%的K2 O、10.67mol.%的Li2 O、0.46mol.%的MgO、0.81mol.%的CaO、1.80mol.%的ZrO2 、0.02mol.%的TiO2 、0.05mol.%的SrO和0.02mol.%的Fe2 O3 。藉由向下拉伸製程而形成具有表1中所示的厚度的玻璃片。一旦成形，將玻璃片切割成所欲的尺寸，並加工切割邊緣。接著將加工的玻璃片浸入具有表1所示的組成的熔融鹽離子交換浴中。將加工的玻璃片保持在離子交換浴中表1中所示的持續時間。隨後將各種樣品浸沒在具有表1中所示的濃度、持續時間和溫度的第二離子交換浴中。接著對強化玻璃片進行於此所述的耐磨性測試。玻璃製品亦經過如上所述的一些摔落測試。該等測試的結果顯示於表1。 表1
在表1中，「NA」表示不進行第二次離子交換製程或摔落測試。此外，表1中的摔落測試的221cm以下的「高度」表示在進行摔落測試後，藉由玻璃製品中的裂縫的呈現而導致玻璃片失效的高度。例如，當玻璃片在110cm的高度摔落時，玻璃片如樣品1，高度1藉由呈現裂縫而失效。然而，221cm是玻璃製品可摔落的最大高度。因此，在表1中「＞221」的「高度」的摔落測試表示玻璃製品在任何測試高度下不破裂。
如表1中所示，在包含70mol.%的KNO3 和30mol.%的NaNO3 的單一熔融鹽浴中進行離子交換的試樣1和2在摔落測試和研磨測試中都比藉由雙浴法（亦即，對比試樣1、3和4）進行離子交換，或在包含95mol.%的KNO3 和5mol.%的NaNO3 （亦即，對比試樣2）的熔融鹽浴中進行離子交換的對比試樣表現更好。
對於熟習本領域者而言，可對於此所述的實施例作出各種修改和變化而不背離所要求保護的標的的精神和範圍是顯而易見的。因此，本說明書意欲覆蓋於此所述的各種實施例的修改和變化，只要該等修改和變化在符合所附隨的申請專利範圍及其等效元件的範圍。
100‧‧‧玻璃製品
110‧‧‧壓應力層
200‧‧‧消費電子裝置
202‧‧‧外殼
204‧‧‧前部
206‧‧‧後部
208‧‧‧側面
210 210‧‧‧
212‧‧‧覆蓋基板
400‧‧‧AROR配置
410‧‧‧玻璃基製品
420‧‧‧支撐環
430‧‧‧負載環
430a‧‧‧表面
第1圖示意性地描繪了根據於此所揭露的實施例的強化玻璃製品；
第2圖是研磨的環疊環(ring-on-ring)測試設備的示意性剖面圖；
第3A圖是包含於此所揭露的任何強化製品的示例性電子裝置的平面圖；及
第3B圖是第3A圖的示例性電子裝置的透視圖。
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100‧‧‧玻璃製品
110‧‧‧壓應力層

Claims (10)

  1. 一種用於強化一玻璃製品的方法，包含以下步驟： 將一玻璃製品與一離子交換溶液接觸從大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的一持續時間，該離子交換溶液具有在該接觸期間為從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的一溫度；及將該離子交換溶液與該玻璃製品分離，其中：該離子交換溶液包含：從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 及從大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 ，且在接觸之前，該玻璃製品包含：大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 ；大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 ；大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O；大於或等於約8mol.%至小於或等於約14mol.%的Li2 O；大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O；大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO；大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO；及大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該玻璃製品的一厚度小於或等於約1mm。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中以下的至少一者為真： 該玻璃製品的一厚度從大於或等於約0.45mm至小於或等於約0.85mm；該接觸的該持續時間從大於或等於約5小時至小於或等於約7小時；該離子交換溶液在該接觸期間具有從大於或等於約380℃至小於或等於約400℃的一溫度；該離子交換溶液包含：從大於或等於約68mol.%至小於或等於約72mol.%的KNO3 ；及大於或等於約28mol.%至小於或等於約32mol.%的NaNO3 。
  4. 如請求項1或2所述之方法，其中該玻璃製品包含： 大於或等於約62mol.%至小於或等於約68mol.%的SiO2 ； 大於或等於約10mol.%至小於或等於約13mol.%的Al2 O3 ； 大於或等於約7mol.%至小於或等於約10mol.%的Na2 O； 大於或等於約9mol.%至小於或等於約13mol.%的Li2 O； 大於或等於0.01mol.%至小於或等於約0.07mol.%的K2 O； 大於或等於0.01mol.%至小於或等於約0.5mol.%的MgO；及 大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的CaO。
  5. 一種強化鋁矽酸鹽玻璃製品，該強化鋁矽酸鹽玻璃製品藉由一方法所形成，該方法包含以下步驟： 將一前驅物玻璃製品和一離子交換溶液接觸大於或等於約4小時至小於或等於約8小時的一持續時間，該離子交換溶液在該接觸期間具有從大於或等於約370℃至小於或等於約410℃的一溫度；及將該離子交換溶液與該前驅物玻璃製品分離，產出該強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中：該離子交換溶液包含：從大於或等於約65mol.%至小於或等於約75mol.%的KNO3 ；及從大於或等於約25mol.%至小於或等於約35mol.%的NaNO3 ；該前驅物玻璃製品包含：大於或等於約55mol.%至小於或等於約75mol.%的SiO2 ；大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Al2 O3 ；大於或等於約5mol.%至小於或等於約12mol.%的Na2 O；大於或等於約8mol.%至小於或等於約15mol.%的Li2 O；大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的K2 O；大於或等於至0mol.%至小於或等於約2mol.%的MgO；大於或等於0mol.%至小於或等於約2mol.%的CaO；及大於或等於至0mol.%至小於或等於約2mol.%的ZrO2 ，且該強化鋁矽酸鹽玻璃製品能承受從大於或等於約190cm的一高度的一摔落測試。
  6. 如請求項5所述之強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中該前驅物玻璃製品包含： 大於或等於約62mol.%至小於或等於約68%的SiO2 ； 大於或等於約10mol.%至小於或等於約13mol.%的Al2 O3 ； 大於或等於約7mol.%至小於或等於約11mol.%的Na2 O； 大於或等於約9mol.%至小於或等於約12mol.%的Li2 O； 大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的K2 O； 大於或等於至0mol.%至小於或等於約1mol.%的MgO；及 大於或等於0mol.%至小於或等於約1mol.%的CaO。
  7. 如請求項5或6所述之強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中該強化鋁矽酸鹽玻璃製品能承受從大於或等於約200cm的一高度的一摔落測試。
  8. 如請求項5或6所述之強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中該強化鋁矽酸鹽玻璃製品能承受從大於或等於約220cm的一高度的一摔落測試。
  9. 如請求項5或6所述之強化鋁矽酸鹽玻璃製品，其中： 該強化鋁矽酸鹽玻璃製品具有小於或等於約0.8mm的一厚度及大於或等於約35kgf的一耐磨性；及/或該強化鋁矽酸鹽玻璃製品具有小於或等於約0.55mm的一厚度及大於或等於約15kgf的一耐磨性。
  10. 一種消費電子產品，包含： 一外殼，具有一前表面、一後表面和多個側表面； 多個電子部件，至少部分地設置在該外殼內，該等電子部件包括至少一控制器、一記憶體和一顯示器，該顯示器設置在該外殼的前表面處或附近；及 一覆蓋玻璃，設置在該顯示器之上方， 其中該外殼的一部分或該覆蓋玻璃的至少一者包含請求項5或6所述的該強化鋁矽酸鹽玻璃製品。
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