TW202237550A - 化學強化透明玻璃陶瓷 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種玻璃陶瓷、其陶瓷化方法及其組成。該玻璃陶瓷適用於離子交換方法以增加玻璃陶瓷材料之強度。本發明描述了具有裂紋起裂載荷(CIL) ≥ 1 kgf之離子交換玻璃陶瓷材料表現出更高強度。此外，該玻璃陶瓷對可見光波長之平均透射率大於或等於70%。總體而言，本發明之玻璃陶瓷組合物表現出更高強度、更高抗跌落性及良好透明度。

Description

化學強化透明玻璃陶瓷
本發明係關於一種玻璃陶瓷母玻璃之組合物，以下簡稱玻璃陶瓷組合物。更具體地，本發明集中於化學強化透明玻璃陶瓷。甚至更具體地，本發明集中於使用裂紋起裂載荷(CIL)值來確定化學強化透明玻璃陶瓷之劃痕及使用強度。
通常，蓋板玻璃已被用於增強諸如行動電話、娛樂設備、平板電腦、膝上型電腦、數位相機、穿戴式設備及其類似者之電子設備之顯示螢幕的機械保護。傳統玻璃係易碎的且表面易出現微裂紋，此降低玻璃之使用強度，例如跌落強度。因此，使用傳統玻璃作為蓋板玻璃，其抗劃傷性及抗跌落性較差，從而降低了電子設備之使用壽命。為了進一步提高玻璃之抗劃傷性及抗跌落性，可對玻璃進行化學強化。例如，離子交換方法可用於對玻璃進行化學強化。化學強化玻璃一直係電子設備蓋板玻璃的關鍵材料之一。儘管玻璃之表面硬度及抗彎強度已大大提高，但接觸損壞會導致裂紋，從而降低玻璃之強度。此主要係因為玻璃材料之無定形性質。
玻璃陶瓷係一種具有由微晶相及玻璃相構成之均勻緻密結構的材料。透明玻璃陶瓷係藉由玻璃基板進行受控結晶以形成尺寸均勻之奈米晶體產生的，此等奈米晶體在玻璃基質中定向及分散。此結晶排列使玻璃陶瓷比化學強化玻璃更堅韌。此外，玻璃陶瓷可偏轉微裂紋之傳播路徑，最終固定或阻止裂紋尖端進一步生長，從而提高玻璃之抗跌落性。
已經開發了各種方法來提高透明玻璃陶瓷之強度。透明玻璃陶瓷之製備及應用高度依賴於其最終之強化特性。透明玻璃陶瓷可進行離子交換處理，此提高抗劃傷性及抗跌落性。需要一種確定透明玻璃陶瓷之強度的方法。更具體地，本發明描述了一種定量量測，其對具有較高裂紋起裂載荷、較高抗跌落性及較高使用強度之透明玻璃陶瓷進行分類。
發明目的本文描述了本發明之一些目的。本發明之目的係提供一種玻璃陶瓷組合物，其為玻璃陶瓷母玻璃之組合物。
本發明之另一目的係描述具有高透光率且表現出良好透明度之玻璃陶瓷組合物。
本發明之另一目的係提供一種透明玻璃陶瓷。透明玻璃陶瓷係矽酸鋁鋰(LAS)玻璃陶瓷。
本發明之另一目的係提供具有高使用強度之透明玻璃陶瓷。
本發明之另一目的係藉由定量分析裂紋起裂載荷(CIL)值來描述透明玻璃陶瓷之強度。
本發明之另一目的係利用玻璃陶瓷之脆性值來描述透明玻璃陶瓷之強度。
本發明之另一目的係藉由對透明玻璃陶瓷進行一或多個離子交換步驟來增加其強度。
本發明之另一目的係描述藉由對母玻璃進行陶瓷化處理而製成之透明玻璃陶瓷的強度。玻璃陶瓷之陶瓷化方法包含使母玻璃經受由成核及晶體生長組成之多個陶瓷化循環步驟。
本發明之其他目的及優點將自以下描述中更加明顯，其並非意欲限制本發明之範疇。
在本發明之一個實施例中，已經揭示了玻璃陶瓷組合物。本發明揭示了玻璃陶瓷之裂紋起裂載荷(CIL)值之定量量測及其分析以確定玻璃陶瓷之使用強度。
在一個實施例中，具有CIL≥1 kgf之玻璃陶瓷材料表現出較高之強度及較高之殘存能力。
在一個實施例中，玻璃陶瓷之CIL值由維氏(Vickers)壓痕技術確定。該技術涉及在恆定載荷(P)下製作多個壓痕，以獲得玻璃陶瓷中之中間裂紋。根據壓痕圖案及裂紋尺寸，評估特徵裂紋長度(c)及維氏壓痕對角線長度(a)。在已知常數(γ)及c/a比之情況下，得到玻璃陶瓷組合物之脆性。具有低c/a比之玻璃陶瓷材料具有較低之脆性及較高之裂紋起裂載荷。
在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物藉由母玻璃之陶瓷化製備。玻璃陶瓷之陶瓷化方法包含使母玻璃經受由成核及晶體生長組成之多個陶瓷化循環步驟。
在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物包括約55重量%至約80重量%之SiO 2、約5重量%至約25重量%之Al 2O 3及約0重量%至約10重量%之B 2O 3。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物進一步包括鹼金屬氧化物，亦即約3重量%至約20重量%之Li 2O、約0重量%至約10重量%之Na 2O及約0重量%至約5重量%之K 2O。存在於玻璃陶瓷組合物中之總鹼金屬氧化物R 2O的總和為約5重量%至35重量%，其中R為Li、Na或K中之至少一者。在一個實施例中，鹼金屬氧化物選自由Li 2O、Na 2O或K 2O組成之群。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物進一步包括鹼土金屬氧化物，諸如MgO、SrO、BaO及CaO。具體地，玻璃陶瓷組合物包括約0重量%至約5重量%之MgO。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物進一步包括約0重量%至約5重量%之P 2O 5及約0重量%至約10重量%之ZrO 2。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物進一步包括約0重量%至約2.5重量%之一或多種精煉劑，諸如SnO 2、Fe 2O 3、CeO 2、氯化物及硫酸鹽。玻璃陶瓷組合物進一步包括約0重量%至約5重量%之ZnO及約0重量%至約10重量%之TiO 2。
在一個實施例中，玻璃陶瓷之強度藉由多個離子交換步驟之處理而增加。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物非常適合兩步離子交換。離子交換方法增加了玻璃內部之壓縮應力及抗裂性。
在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物在可見光波長下之平均透射率大於或等於70%。此表現出玻璃陶瓷組合物清晰透明之外觀。
本發明之此等及其他態樣、優點及顯著特徵將自以下詳細描述中變得顯而易見。
在下面之描述中，相同之附圖標記在圖中所示之幾個視圖中表示相同或對應之部分。亦應理解，除非另有說明，否則諸如「頂部」、「底部」、「向外」、「向內」及其類似者之術語係為了方便起見而不應被解釋為限制性術語。此外，每當一個組被描述為包含一組元素中之至少一者及其組合時，應理解該組可單獨或彼此組合地包含任何數量之所列舉的彼等元素、基本上由其組成或由其組成。類似地，每當一個組被描述為由一組元素中之至少一者或其組合組成時，應理解該組可單獨或彼此組合地由任何數量之所列舉的彼等元素組成。除非另有說明，否則數值範圍在引用時包括範圍之上限及下限以及其間之任何範圍。如本文所用，除非另有說明，否則不定冠詞「一」、「一個」及相應之定冠詞「該」表示「至少一個」或「一或多個」。亦應理解，說明書及附圖中揭示之各種特徵可以任何及所有組合使用。
如本文所用，術語「玻璃製品(glass article)」及「玻璃製品(glass articles)」以其最廣泛之含義使用以包括全部或部分由玻璃製成之任何物體。除非另有說明，否則所有組成均以重量百分比(wt. %)表示。除非另有說明，否則所有溫度均以攝氏度(℃)表示。除非另有說明，否則熱膨脹係數(CTE)以10 -7/℃表示，且表示在約50℃至約300℃之溫度範圍內測得的值。
注意，術語「實質上」及「約」在本文中可用於表示可歸因於任何定量比較、值、量測或其他表示之固有不確定性程度。此等術語在本文中亦用於表示定量表示可能與規定之參考不同之程度，而不會導致所討論主題之基本功能發生變化。
玻璃材料之新應用對具有更佳品質要求之玻璃基板之需求在增加。近來，玻璃已廣泛用於保護諸如行動電話、智慧型電話、平板電腦、穿戴式設備、數位相機及其類似者之電子設備之顯示螢幕(例如，基於觸控之顯示器)。此外，玻璃基板已被用作運輸及非運輸應用之保護窗。此類玻璃顯示出較高之強度及殘存能力。已知曉，玻璃陶瓷具有比普通玻璃組合物更高之強度。因此，自用於類似應用之玻璃基板製備玻璃陶瓷的需求有所增加。玻璃陶瓷係藉由母玻璃受控結晶而產生之結晶材料。玻璃基質中玻璃陶瓷原子之此晶體排列有助於提高其使用強度。
本發明詳細描述了用於製備透明玻璃陶瓷之各種玻璃組合物。本發明主要描述了一種矽酸鋁鋰(LAS)玻璃陶瓷及其組成。玻璃陶瓷母玻璃之組成(以下簡稱玻璃陶瓷組成)包含諸如SiO 2、B 2O 3、Al 2O 3、Li 2O及Na 2O之一或多種化學成分。其亦可包含其他化學成分，諸如K 2O、ZnO、MgO、SrO、BaO、CaO、ZrO 2、TiO 2及P 2O 5及其類似物。此外，其亦可包含精煉劑，諸如SnO 2、Fe 2O 3、CeO 2、氯化物、硫酸鹽及其類似物。
在一個實施例中，ZrO 2用作成核劑以在矽酸鋁鋰(LAS)玻璃中獲得大量結晶相。在另一個實施例中，TiO 2、CeO 2或任何氧化物可用作成核劑以在LAS玻璃中獲得結晶相。
本發明描述了組合物之各種成分的最佳重量%。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物包括約55重量%至約80重量%之SiO 2、約5重量%至約25重量%之Al 2O 3及約0重量%至約10重量%之B 2O 3。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物進一步包括鹼金屬氧化物，亦即約3重量%至約20重量%之Li 2O、約0重量%至約10重量%之Na 2O及約0重量%至約5重量%之K 2O。存在於玻璃陶瓷組合物中之總鹼金屬氧化物R 2O的總和為約5重量%至35重量%，其中R為Li、Na或K中之至少一者。在一個實施例中，鹼金屬氧化物選自由Li 2O、Na 2O或K 2O組成之群。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物進一步包括鹼土金屬氧化物，諸如MgO、SrO、BaO及CaO。具體地，玻璃陶瓷組合物包括約0重量%至約5重量%之MgO。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物進一步包括約0重量%至約5重量%之P 2O 5及約0重量%至約10重量%之ZrO 2。在一個實施例中，玻璃陶瓷組合物進一步包括約0重量%至約2.5重量%之一或多種精煉劑，諸如SnO 2、Fe 2O 3、CeO 2、氯化物及硫酸鹽。玻璃陶瓷組合物進一步包括約0重量%至約5重量%之ZnO及約0重量%至約10重量%之TiO 2。
表1說明了玻璃陶瓷母玻璃之非限制性例示性玻璃組成。
組成 1 2 3 4 5 6 7 8
SiO 2( 重量 %) 72.9 72.6 72.31 72.04 71.37 70.05 70.71 68.83
Al 2O 3( 重量 %) 7.10 7.60 8.15 7.56 7.49 7.35 9.49 11.37
B 2O 3( 重量 %) 1.00 1.20 1.37 1.93 2.85 4.63 1.19 1.19
Li 2O ( 重量 %) 11.80 11.20 10.58 11.10 11.00 10.80 11.18 11.18
Na 2O ( 重量 %) 1.60 1.60 1.59 1.59 1.57 1.54 1.60 1.60
K 2O ( 重量 %) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
ZrO 2( 重量 %) 3.80 3.80 3.75 3.73 3.70 3.63 3.76 3.76
P 2O 5( 重量 %) 1.90 2.10 2.25 2.05 2.03 2.00 2.07 2.07
總計 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
密度 (g/cc) 2.587 2.563 2.539 2.562 2.563 2.563 2.516 2.476
表1：玻璃陶瓷母玻璃之例示性玻璃組成
表2說明了玻璃陶瓷母玻璃之非限制性例示性玻璃組成。
組成 9 10 11 12 13 14 15 16
SiO 2( 重量 %) 66.95 65.07 71.50 72.45 71.10 69.80 72.87 72.59
Al 2O 3( 重量 %) 13.25 15.13 9.72 8.72 8.56 8.41 7.08 7.61
B 2O 3( 重量 %) 1.19 1.19 1.93 1.56 1.55 1.54 1.00 1.19
Li 2O ( 重量 %) 11.18 11.18 8.80 10.04 9.85 9.67 11.79 11.18
Na 2O ( 重量 %) 1.60 1.60 1.57 1.59 1.57 1.54 1.60 1.60
K 2O ( 重量 %) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
ZrO 2( 重量 %) 3.76 3.76 3.70 3.75 5.52 7.23 3.77 3.76
P 2O 5( 重量 %) 2.07 2.07 2.78 1.88 1.84 1.81 1.89 2.07
總計 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
密度 (g/cc) 2.442 2.416 2.478 2.517 2.537 2.560 2.588 2.563
表2：玻璃陶瓷母玻璃之例示性玻璃組成
表3說明了玻璃陶瓷母玻璃之非限制性例示性玻璃組成。
組成 17 18 19 20 21
SiO 2( 重量 %) 71.81 66.95 73.43 72.08 72.65
Al 2O 3( 重量 %) 8.30 13.25 7.59 9.30 8.34
B 2O 3( 重量 %) 1.38 1.19 0.19 0.18 0.00
Li 2O ( 重量 %) 10.78 11.18 11.16 10.96 10.24
Na 2O ( 重量 %) 1.62 1.60 1.60 0.00 1.88
K 2O ( 重量 %) 0.00 0.00 0.00 1.56 0.26
ZrO 2( 重量 %) 3.82 3.76 3.75 3.68 5.24
SnO 2( 重量 %) 0.000 0.000 0.215 0.213 0.000
P 2O 5( 重量 %) 2.29 2.07 2.06 2.03 1.40
總計 100.00 100.00 100.00 100.00 100.01
密度 (g/cc) 2.538 2.442 2.410 2.420 2.450
表3玻璃陶瓷母玻璃之例示性玻璃組成
在一個例示性實施例中，當玻璃組合物包括約73.43重量%之SiO 2、約7.59重量%之Al 2O 3、約0.19重量%之B 2O 3、約11.16重量%之Li 2O、約1.60重量%之Na 2O、約3.75重量%之ZrO 2、約0.215重量%之SnO 2及約2.06重量%之P 2O 5時，玻璃基板之密度為2.410 g/cc。
在另一個例示性實施例中，當玻璃組合物包括約72.08重量%之SiO 2、約9.30重量%之Al 2O 3、約0.18重量%之B 2O 3、約10.96重量%之Li 2O、約1.56重量%之K 2O、約3.68重量%之ZrO 2、約0.213重量%之SnO 2及約2.03重量%之P 2O 5時，玻璃基板之密度為2.420 g/cc。
在另一個例示性實施例中，當玻璃組合物包括約72.9重量%之SiO 2、約7.1重量%之Al 2O 3、約1.0重量%之B 2O 3、約11.8重量%之Li 2O、約1.6重量%之Na 2O、約3.8重量%之ZrO 2及約1.9重量%之P 2O 5時，玻璃基板之密度為2.587 g/cc。
由玻璃組合物形成之玻璃基板通常藉由陶瓷化方法或處理陶瓷化以形成玻璃陶瓷。此處，玻璃基板可稱為母玻璃。本發明之陶瓷化方法係多步法。玻璃組合物在固定溫度下經歷固定時間之熱處理。陶瓷化方法之第一步係成核，其中原子成核且生長晶體。成核被定義為相分離或新晶體之「誕生」。陶瓷化方法之下一步被稱為晶體生長，亦即晶體生長至更大之尺寸。晶體生長步驟實現晶體狀態。在陶瓷化方法中，玻璃基板首先經加熱至成核溫度，隨後在促進晶體生長之更高溫度下結晶。該溫度亦稱為晶體生長溫度。陶瓷化方法有助於玻璃基板完全結晶以形成玻璃陶瓷。
表4說明了由玻璃組合物19 (參見表3)形成之各種母玻璃樣品為了形成玻璃陶瓷所經歷的非限制性例示性陶瓷化條件，以及母玻璃樣品相應之密度及外觀。
母玻璃樣品 陶瓷化處理之第一步 陶瓷化處理之第二步 密度 (g/cc) 外觀
溫度 ( ℃ ) 時間 ( 小時 ) 溫度 ( ℃ ) 時間 ( 小時 ) 陶瓷化之前 陶瓷化之後
樣品1 550 2 690 1 2.410 2.475 不透明
樣品2 550 4 690 4 2.410 2.478 幾乎透明
樣品3 550 3 690 3 2.410 2.426 幾乎不透明
樣品4 550 2 690 2 2.409 2.471 幾乎不透明
樣品5 550 2 690 1 2.408 2.452 不透明
樣品6 550 4 690 3 2.410 2.427 半透明且具有渾濁
樣品7 550 4 690 3 2.409 2.451 半透明且具有渾濁
樣品8 550 4 690 4 2.409 2.460 半透明且具有渾濁
樣品9 550 4 690 4 2.407 2.475 幾乎透明
樣品10 570 4 710 4 2.410 2.475 幾乎透明
樣品11 550 2 690 2 2.408 2.429 半透明且具有渾濁
樣品12 530 4 660 4 2.406 2.436 半透明且具有渾濁
樣品13 540 4 675 4 2.410 2.431 半透明且具有渾濁
樣品14 550 4 690 5 2.410 2.475 半透明
樣品15 550 4 690 6 2.407 2.476 半透明
樣品16 550 4 660 6 2.406 2.447 半透明
樣品17 560 4 700 4 2.410 2.480 透明
樣品18 550 5 690 4 2.405 2.452 幾乎透明
樣品19 560 4 710 4 2.410 2.480 透明
樣品20 560 4 710 4.5 2.409 2.477 透明
樣品21 560 4 720 4 2.409 2.476 透明且具有渾濁
表4說明了由玻璃組合物19形成之各種母玻璃樣品為了形成玻璃陶瓷所經歷的非限制性例示性陶瓷化條件。
在一個例示性實施例中，母玻璃樣品17由包括約73.43重量%之SiO 2、約7.59重量%之Al 2O 3、約0.19重量%之B 2O 3、約11.16重量%之Li 2O、約1.60重量%之Na 2O、約3.75重量%之ZrO 2、約0.215重量%之SnO 2及約2.06重量%之P 2O 5之玻璃組合物形成。在陶瓷化方法中，母玻璃樣品17最初在560℃之溫度下保持4小時之持續時間以實現原子成核以形成晶體。隨後，將母玻璃樣品17在700℃之溫度下保持4小時之持續時間以促進晶體的生長。母玻璃樣品17之陶瓷化處理之第一步及第二步引起玻璃陶瓷的形成。形成之玻璃陶瓷具有2.480 g/cc之密度且外觀透明。
在另一個例示性實施例中，母玻璃樣品19由包括約73.43重量%之SiO 2、約7.59重量%之Al 2O 3、約0.19重量%之B 2O 3、約11.16重量%之Li 2O、約1.60重量%之Na 2O、約3.75重量%之ZrO 2、約0.215重量%之SnO 2及約2.06重量%之P 2O 5之玻璃組合物形成。在陶瓷化方法中，母玻璃樣品19最初在560℃之溫度下保持4小時之持續時間以實現原子成核以形成晶體。隨後，將母玻璃樣品19在710℃之溫度下保持4小時之持續時間以促進晶體的生長。母玻璃樣品19之陶瓷化處理之第一步及第二步引起玻璃陶瓷的形成。形成之玻璃陶瓷具有2.480 g/cc之密度且外觀透明。
在一個非限制性例示性實例中，可藉由透鋰長石及二矽酸鋰之存在來指示玻璃陶瓷之結晶相。透鋰長石LiAlSi 4O 10係一種單斜晶體，其具有三維骨架結構，該三維骨架結構具有層狀結構且具有由Li及Al四面體連接之摺疊Si 2O 5層。Li與氧呈四面體配位。透鋰長石用作低熱膨脹相，以提高玻璃陶瓷之抗熱震性。二矽酸鋰Li 2Si 2O 5係一種基於{Si 2O 5}四面體陣列波紋片之斜方晶體。基於二矽酸鋰之玻璃陶瓷具有高度期望之機械特性，包括高體強度及斷裂韌性，因為其具有隨機取向之互鎖晶體之微觀結構——一種迫使裂紋經由此等晶體周圍之曲折路徑在材料中傳播的晶體結構。
使用市售設備對所得玻璃陶瓷進行X射線繞射(XRD)分析以確定結晶相之結晶度及/或晶體尺寸。XRD光譜通常在5至80度之2θ下獲得。
圖1顯示了根據本發明之實施例，對由玻璃組合物19製成之母玻璃、由陶瓷化處理後之母玻璃樣品17製成之玻璃陶瓷及由陶瓷化處理後之母玻璃樣品19製成之玻璃陶瓷所獲得的XRD圖譜之比較。母玻璃具有無定形性質，而由母玻璃樣品17及19形成之玻璃陶瓷具有結晶性質。
由母玻璃樣品17形成之玻璃陶瓷之XRD圖譜具有主要的結晶相。由母玻璃樣品17形成之結晶玻璃陶瓷含有二矽酸鋰結晶相(37.16重量%)及透鋰長石結晶相(35.24重量%)。
由母玻璃樣品19形成之玻璃陶瓷之XRD圖譜具有主要之結晶相。由母玻璃樣品19形成之結晶玻璃陶瓷含有二矽酸鋰結晶相(30.05重量%)及透鋰長石結晶相(48.10重量%)。
圖1表明，與由玻璃組合物19形成之母玻璃相比，由母玻璃樣品17及19形成之玻璃陶瓷表現出主要的結晶相。
使用掃描電子顯微鏡(SEM)確定在玻璃或玻璃陶瓷中形成之晶粒的尺寸。在SEM下掃描玻璃或玻璃陶瓷之前，在玻璃表面上進行噴金。在由SEM掃描之影像中，裂紋代表金導電層及白點代表晶體。確定白點之直徑以確定晶粒之尺寸。藉由SEM確定之晶體尺寸與自XRD光譜計算之晶體尺寸一致。
圖2A及圖2B顯示了根據本發明之實施例，由玻璃組合物19形成之母玻璃的SEM影像。參考圖2A及圖2B，雖然在影像中可看到裂紋，但在裂紋之間沒有可見之白點。此表明來自玻璃組合物19之母玻璃具有無定形性質。
圖3A、圖3B及圖3C顯示了根據本發明之實施例，由母玻璃樣品17形成之玻璃陶瓷的SEM影像。參考圖3A、圖3B及圖3C，影像顯示裂紋之間的白點。此等白點指示玻璃陶瓷之結晶相。晶體之尺寸約為5 nm至40 nm。
拉曼光譜學(「拉曼」)用於進一步驗證結晶沈澱物之存在。圖4描繪了根據本發明之實施例，對由玻璃組合物19製成之母玻璃、由陶瓷化處理後之母玻璃樣品17製成之玻璃陶瓷及由陶瓷化處理後之母玻璃樣品19製成之玻璃陶瓷的拉曼光譜分析之比較。自圖4可明顯看出，熱處理條件引起結晶相之出現，此藉由在拉曼位移位置處存在信號峰來驗證。
本發明揭示了玻璃之裂紋起裂載荷(CIL)值之定量量測及其分析以估計玻璃的使用強度。為了估計玻璃陶瓷之裂紋起裂載荷，使用維氏壓頭測試玻璃陶瓷之脆性。維氏壓頭係一種金剛石壓頭，以一定之載荷壓在玻璃陶瓷表面上。在恆定載荷(P)下進行維氏壓痕以獲得玻璃材料中之中間裂紋。根據壓痕圖案及裂紋尺寸，評估特徵裂紋長度(C)及維氏壓痕對角線長度(a)。在已知常數(γ)及C/a比下，玻璃陶瓷組合物之脆性由下式計算： B = γ P -1/4(C/a) 3/2(1) 其中，γ等於2.39 N 1/4/µm 1/2，B係單位為µm -1/2之脆性，P被定義為壓痕載荷之常數值，單位為N (牛頓)。式(1)在美國陶瓷學會雜誌(Journal of American Ceramic Society)中有詳細描述，題為「藉由壓痕得到之玻璃脆性(Brittleness of glass by indentation)」，其內容以引用方式併入本文。具有低C/a比之玻璃陶瓷材料將具有較低之脆性及較高之強度。此外，脆性(B)藉由H/K c比定義，其中K c係斷裂韌性(抗斷裂性)且H係硬度(抗變形性)。
此外，隨著載荷之增加，玻璃表面開始形成裂紋，導致破裂。在壓痕過程中，裂紋起裂載荷(CIL)值取為壓痕四個角周圍之平均裂紋數為兩個時的載荷。此裂紋起裂載荷(CIL)會觸發玻璃材料之強度降低至低於其理論強度。因此，本發明分析了可幫助確定玻璃之使用強度的玻璃之裂紋起裂載荷(CIL)值。本發明描述了具有高CIL之玻璃材料將表現出更高之使用強度。更具體地說，本發明描述了具有CIL ≥ 1 kgf之離子交換玻璃陶瓷材料表現出更高之強度及更高之抗跌落性。
此外，CIL及脆性之間的關係可藉由此兩個術語之基本定義來解釋。其在美國陶瓷學會雜誌及非結晶固體雜誌(Journal of Non-Crystalline Solids)中有詳細解釋，題為「玻璃脆性(Brittleness of glass)」，其內容以引用方式併入本文。CIL之研究涉及量測材料中產生裂紋時之最小載荷。因此，在開裂前變形更多(脆性較低)之材料將表現出更高之裂紋起裂載荷，因為脆性係材料對變形及斷裂之機械回應之相對敏感性。因此，CIL值將為一個適合之參數，用於確定玻璃是否可能具有更大之強度、殘存能力及更長之使用壽命。脆性較小之玻璃具有較大之裂紋起裂載荷。
表5說明了母玻璃之非限制性例示性樣品及其相應之量測參數，諸如密度、維氏硬度(HV)、藉由維氏壓痕獲得之C/a比(其中C=特徵裂紋且a=維氏壓痕對角線長度)、脆性、斷裂韌性及裂紋起裂載荷(CIL)值。
母玻璃樣品 母玻璃
密度， g/cc HV (kgf/mm 2) C/a 脆性 (μm -1/2) 斷裂韌性 (MPa m 1/2) CIL (gf)
樣品17 2.41 527 3.1 7.35 0.71 ＜200
樣品19 2.41 527 3.1 7.35 0.71 ＜200
表5：母玻璃之例示性樣品及其各種量測參數
表6說明了非限制性例示性玻璃陶瓷及其相應之陶瓷化條件及量測參數，諸如密度、維氏硬度(HV)、藉由維氏壓痕獲得之C/a比(其中C=特徵裂紋且a=維氏壓痕對角線長度)、脆性及斷裂韌性。
母玻璃樣品 陶瓷化處理之第一步 陶瓷化處理之第二步 HV (kgf/mm 2) 密度 (g/cc) C/a 脆性 (μm -1/2) 斷裂韌性 (MPa m 1/2)
溫度 ( ℃ ) 時間 ( 小時 ) 溫度 ( ℃ ) 時間 ( 小時 )
樣品17 560 4 700 4 644.2 2.48 2.77 6.19 1.02
樣品19 560 4 710 4 648.0 2.48 2.75 6.11 1.04
表6說明了具有各種量測參數之非限制性例示性玻璃陶瓷。
本發明描述了藉由諸如雙離子交換法之多重離子交換方法提高玻璃陶瓷之化學強度。在一個實施例中，對於諸如鋁矽酸鋰玻璃陶瓷材料之鹼金屬矽酸鋁玻璃陶瓷中的兩步離子交換方法，待替換之鹼金屬離子係鋰離子(Li+)。較佳使用之鹽浴係鈉離子(Na+)浴及鉀離子(K+)浴。更佳地，使用之鹽浴包含NaNO 3及KNO 3之鹽。在離子交換之第一步中，鋰離子至少經玻璃材料表面內之鈉離子替換。此外，在離子交換之第二步中，鋰離子或鈉離子至少經玻璃材料表面內之鉀離子替換。在離子交換方法中，當玻璃中較大之離子被交換成較小之離子時，玻璃內部會受到深度壓縮，從而產生應力。此增加了玻璃陶瓷之壓縮應力，從而增加了其抗裂性。與陶瓷化玻璃相比，離子交換玻璃陶瓷表現出CIL之增加。
在一個例示性實施例中，玻璃樣品組合物經歷兩步離子交換方法，其中首先將玻璃陶瓷浸入含有至少60重量% NaNO 3之熔融鹽浴(其溫度保持在350℃至590℃之間)中，以保持諸如大於100分鐘之固定時間，然後可浸入含有至少50重量% KNO 3之熔融鹽浴(其溫度保持在330℃至560℃之間)中，以保持諸如大於5分鐘之固定小時數。此外，壓縮應力(CS)有所增加，其中表面之每個壓縮層具有至少100 MPa之壓縮應力。
表7說明了在特定玻璃陶瓷組合物之不同反應條件下，定義雙離子交換方法第一步之壓縮應力(CS)的例示性樣品。
母玻璃樣品之陶瓷化玻璃 離子交換之第 1 步 第 1 步 HV (kgf/mm 2) C/a 脆性 (μm -1/2) 斷裂韌性 (MPa m 1/2) CIL (gf)
NANO 3(wt%) KNO 3(wt%) 溫度 ( ℃ ) 時間 ( 分鐘 ) CS (MPa)
樣品19 100 0 470 360 346.5 708 1.77 2.68 2.60 900
樣品17 100 0 470 360 321.8 700 1.79 2.72 2.52 800
樣品19 100 0 470 960 247.5 675 1.89 2.95 2.24 500
樣品19 100 0 400 380 338.4 715 1.74 2.61 2.69 900
樣品19 100 0 380 360 313.4 706 1.79 2.72 2.55 700
樣品19 90 10 490 330 292.8 685 1.85 2.86 2.35 600
樣品19 90 10 380 1800 265.3 692 1.86 2.88 2.36 500
樣品19 100 0 380 1800 278.5 705 1.80 2.74 2.52 600
樣品19 90 10 470 960 281.2 690 1.82 2.79 2.43 500
樣品19 100 0 400 360 322.6 698 1.81 2.77 2.47 600
樣品19 100 0 470 330 290.2 678 1.83 2.81 2.36 500
樣品19 100 0 450 360 288.7 682 1.82 2.79 2.40 500
表7：用於雙離子交換方法第一步之具有CS的例示性樣品
表8說明了在特定玻璃陶瓷組合物之不同反應條件下，定義雙離子交換方法第二步之壓縮應力(CS)的例示性樣品。
母玻璃樣品之陶瓷化玻璃 離子交換之第 2 步 第 2 步 HV (kgf/mm 2) C/a 脆性 (μm -1/2) 斷裂韌性 (MPa m 1/2) CIL (gf)
NANO 3(wt%) KNO 3(wt%) 溫度 ( ℃ ) 時間 ( 分鐘 ) CS (MPa)
樣品19 10 90 380 60 471.8 745.8 1.54 2.17 3.37 1400
樣品17 10 90 380 30 390.6 741 1.55 2.19 3.32 1300
樣品19 10 90 380 60 313.5 710 1.61 2.32 3.00 1000
樣品19 0 100 380 60 468.3 742 1.55 2.19 3.32 1300
樣品19 0 100 380 30 432.5 740 1.56 2.21 3.28 1200
樣品19 50 50 460 360 338.2 708 1.60 2.30 3.02 1000
樣品19 5 95 390 50 379.5 739 1.56 2.21 3.27 1200
樣品19 40 60 400 360 327.5 711 1.61 2.32 3.00 1000
樣品19 25 75 410 240 356.4 715 1.59 2.28 3.08 1100
樣品19 2 98 370 40 398.5 737 1.56 2.21 3.27 1200
樣品19 3 97 390 20 382.9 736 1.57 2.23 3.23 1200
樣品19 20 80 470 300 355.4 720 1.59 2.28 3.10 1100
表8：用於雙離子交換方法第二步之具有CS的例示性樣品
表7及表8描述了玻璃在離子交換後CIL之增加。此外，其描述了玻璃在轉變為玻璃陶瓷後之c/a比及脆性之降低。
此外，本發明之玻璃陶瓷由於玻璃陶瓷中之奈米級晶體而在外觀上係透明且清澈的。在母玻璃之陶瓷化過程中，隨著結晶之發生，原子彼此靠近。本發明集中於製備玻璃陶瓷，從而形成尺寸小於光波長之奈米晶體。特別地，本發明描述了在1 mm厚度下可見光波長之平均透射率大於或等於70%之玻璃陶瓷製品。
具有此類高強度及透明性特性之玻璃陶瓷可用於諸如電子設備之保護屏之應用中。其可用於觸控式螢幕顯示器，及諸如液晶顯示器(LCD)、場發射顯示器(FED)、電漿顯示器(PD)、電致發光顯示器(ELD)、有機發光二極體(OLED)顯示器、微型LED或其類似者之顯示螢幕的後蓋板。此外，其可用作背面蓋板玻璃以保護諸如行動電話、智慧型電話、平板電腦、穿戴式設備、數位相機及其類似者之電子設備之背面。
在一個特定實施例中，蓋板玻璃用作與諸如空中、海上或陸地之各種運輸方式相關之保護窗，且在非運輸應用中用於防風。此外，其用作防火玻璃。此外，蓋板玻璃亦用作硬碟中之基板。此外，其可用於半導體中介層及半導體載體中。其亦用作爐灶面。最後，蓋板玻璃在各種應用中用作塗層基板。
儘管出於說明之目的已經闡述了典型實施例，但不應將前述描述視為對本發明或所附申請專利範圍之範疇的限制。因此，在不背離本發明之精神及範疇的情況下，熟習此項技術者可想到各種修改、調整及替代。
咸信新穎之本發明的特徵在所附申請專利範圍中具體闡述。本發明之實施例將在下文中結合所提供之附圖進行描述，此等附圖用於說明而非限制申請專利範圍之範疇，其中相同之標號表示相同之元件，且其中： 圖1顯示了根據本發明之實施例，對由玻璃組合物19製成之母玻璃、由陶瓷化處理後之母玻璃樣品17製成之玻璃陶瓷及由陶瓷化處理後之母玻璃樣品19製成之玻璃陶瓷獲得的X射線繞射(XRD)圖譜之比較； 圖2A及圖2B顯示了根據本發明之實施例，由玻璃組合物19形成之母玻璃的掃描電子顯微鏡(SEM)影像； 圖3A、圖3B及圖3C顯示了根據本發明之實施例，由母玻璃樣品17形成之玻璃陶瓷的SEM影像；及 圖4描繪了根據本發明之實施例，對由玻璃組合物19製成之母玻璃、由陶瓷化處理後之母玻璃樣品17製成之玻璃陶瓷及由陶瓷化處理後之母玻璃樣品19製成之玻璃陶瓷的拉曼(Raman)光譜分析之比較。

Claims (8)

  1. 一種矽酸鋁鋰(LAS)玻璃陶瓷製品，其包含： a)  組合物，該組合物以重量%計包含： i)   55重量%至80重量%之SiO 2， ii)  5重量%至25重量%之Al 2O 3， iii) 3重量%至20重量%之Li 2O， b)  藉由離子交換形成之壓縮應力層； c)  在陶瓷化及該離子交換後至少為1 kgf之維氏(Vickers)裂紋起裂載荷；及 d)  在1 mm厚度下對波長範圍為400 nm至700 nm之光至少70%的透射率。
  2. 如請求項1之LAS玻璃陶瓷製品，其中該組合物以重量%計包含： 0重量%至10重量%之B 2O 3， 0重量%至10重量%之Na 2O， 0重量%至5重量%之K 2O， 0重量%至5重量%之MgO， 0重量%至5重量%之ZnO， 0重量%至10重量%之ZrO 2， 0重量%至5重量%之P 2O 5， 0重量%至2.5重量%之SnO 2，及 0重量%至10重量%之TiO 2。
  3. 如請求項1之LAS玻璃陶瓷製品，其中該製品中之主要結晶相係二矽酸鋰及透鋰長石中之至少一者。
  4. 如請求項3之LAS玻璃陶瓷製品，其中該主要結晶相包含寬度為約150 nm或更小之晶體。
  5. 如請求項1之LAS玻璃陶瓷製品，其進一步包含至少20重量%之總結晶相。
  6. 如請求項1之LAS玻璃陶瓷製品，其中該玻璃陶瓷製品之脆性為約7 μm -1/2或更小。
  7. 如請求項1之LAS玻璃陶瓷製品，其中該玻璃陶瓷製品之斷裂韌性為約0.8 MPa·m 1/2或更大。
  8. 一種電子或攜帶型計算設備，其包含如請求項1之LAS玻璃陶瓷製品。
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