TWI596074B - 鹼金屬－鋁－矽酸鹽玻璃 - Google Patents

Description

鹼金屬-鋁-矽酸鹽玻璃

本發明關於一種鹼金屬-鋁-矽酸鹽玻璃，及一種具有這種玻璃或由此玻璃構成的玻璃物品，以及這種玻璃物品用於電子裝置的蓋玻璃或安全玻璃或強化光學玻璃的應用。

在先前技術中人們知道使用具有化學硬化的表面的玻璃例如用於電子裝置的顯示器的耐括損蓋玻璃。玻璃的化學硬化典型方式係將未硬化之玻璃板浸入一鹽槽液中。在此，在玻璃板之近表面區域中由於擴散而使玻璃中較小的離子(例如Na⁺)與鹽槽液中較大的離子(例如K⁺)發生交換。由於較大離子的空間需求較大，故擴散層中材料的強度，及內應力提高。

舉例而言，DE 10 2010 009 584 A1揭示一種鋰-鋁-矽酸鹽玻璃，在其上先由於鋰離子和鈉離子交換造成表面強化，而在一第二步驟鈉離子和鉀離子交換而強化。在US 8,075,999 B2提到另一化學硬化的玻璃，它含有多達20重量%之Al₂O₃。

本發明的目的在提供一種玻璃，它適合作化學硬化且具較佳性質。

這種目的係利用申請專利範圍第1項的一種鹼金屬-鋁-矽酸鹽玻璃達成。有利的進一步特點見於申請專利範圍附屬項。

依本發明，該一種玻璃，具有：Sio₂，47.5~55重量%，Al₂O₃，21~27.5重量%，Na₂O，12~16重量%，且Al₂O₃：Na₂O的莫耳比例在0.9：1到1.2：1之間。

較佳的SiO₂、Al₂O₃、Na₂O的範圍為：SiO₂含量在50~55重量%間，且宜在53~55重量%之間，Al₂O₃含量在21~25重量%間，且宜在21.5~23.5重量%之間，Na₂O含量在13~16重量%間，且宜在13.8~15.8重量%之間。

在一實施例中，玻璃中各成分的比例為：Al₂O₃：Na₂O在0.94：1到1.1：1。

在另一實施例中，SiO₂對Al₂O₃的莫耳比例在2.5：1到4.8：1間，且宜在3.5：1到4.5：1間，尤宜在3.9：1到4.2：1之間。

在一實施例中，該玻璃更包含1.5~2.5重量%的K₂O及/或多可達1.5重量%的Li₂O。

本發明之玻璃不同於其他化學硬化的鹼金屬-鋁-矽酸鹽玻璃，它在未處理狀態(亦即在未作化學硬化狀態)已有較大強度。此外，本發明的玻璃一特別為在化學強化的程序中，交換速度較快，且在擴散區域中得到明顯的強度。由於硬度基本值較高，且在化學硬化時有良好性質，即使在鹽槽液中駐留時間少，造成的擴散層薄，但相較於傳統之具較大擴 散深度之硬化層的習知玻璃，在耐括損強度上並不遜色。舉例而言，玻璃在硬化前，表面礦度已在6400MPa~6600MPa間。

在本發明一實施例，該玻璃不含Ca或CaO，這點在化學硬化時，就Na離子的交換速度方面係有利者。

在一實施例中，MgO含量在4~10重量%間，且宜在4~8重量%間，尤宜在4.5~6重量%間。這點就硬化的表面層的強度而言係有利者。其原因可能是在上述濃度範圍的MgO在擴散區域中有網狀(交聯)補強的作用。

在一實施例中，本發明的玻璃，它含有大於0~1重量%之間的SnO₂，由宜在0.3~0.5重量%間，且含有在0~0.6重量%的CeO₂，且宜在大於0~0.2重量%間，及/或含有大於0~1重量%的氟。

在一實施例中，本發明的玻璃，它含有1.8~3.5重量%間的ZrO₂，且宜在2~2.5重量%間，及/或含有0.2~3.5重量%的ZnO。

此外本發明關於一玻璃物品，它具有本發明的鹼金屬-鋁-矽酸鹽或由此構成。舉例而言，此玻璃物品可只由本發明的玻璃製成，或具有本發明玻璃構成的區域(例如層)。

在一實施例中，該玻璃物品的本發明鹼金屬-鋁-矽酸鹽玻璃的表面至少部段式地有一擴散層。在擴散層中，NaO的濃度比未處理之玻璃基本組成低，而另一元素(例如鉀)的濃度比未處理之玻璃基本組成更高。此擴散層可利用一化學硬化程序造成，其中該玻璃物品在一定溫度浸入一鹽槽液一定之駐留時間，例如浸入由熔融KNO₃的槽液。

在一實施例中，該擴散層厚度在10微米~60微米間，且宜 在15微米~35微米間，尤宜在20微米~30微米間。層厚度依在鹽槽液中的駐留時間和溫度而定。擴散層與留下的玻璃之間的界限係要在一些地方，在這些地方Na的濃度和未處的玻璃基本組成相較有可測出之不同。

在一實施例中，該玻璃物品為玻璃板，它係均勻地由本發明的玻璃製成或至少具有一層本發明的玻璃。在此情形，玻璃板的一表面或相反的二表面可作化學硬化。由本發明的玻璃構成的板或層的厚度，舉例而言可在0.4mm~2mm之間。

此外本發明關於一種玻璃板的應用，其係用於做電子裝置的顯示器用的蓋玻璃，特別是行動電話或電腦的顯示器用的蓋玻璃。該顯示器可為具觸控螢幕(Touchscreen)者，適當之裝置特別包含行動電話或智慧型手機及電腦或平板電腦。

其他的細節和優點見於以下圖式和實施例。

圖1係本發明的玻璃和先前技術玻璃之在1200℃~1550℃的溫度範圍中測量之粘度走勢的坐標圖的比較。

〔實例1〕

將適當量的起始材料在一玻璃爐中熔化、均質化、除熔渣(läutern，英：deslag)及保持熱度(abstehen，英：hold)，俾得到具以下性質的玻璃：

- SiO₂，53.8重量%

- Al₂O₃，21.9重量%

- MgO，5.7重量%

- Na₂O，14重量%

- K₂O，1.9重量%

- ZrO₂，2.2重量%

- SnO₂，0.4重量%

- CeO₂，0.1重量%。

然後鑄成一玻璃塊然後作細冷卻，由此玻璃塊藉切割、研磨、拋光在進一步的步驟產生本發明玻璃之玻璃板，以下稱玻璃1。

〔實例2〕

將適當量的起始材料在一玻璃爐中熔化、均質化、除熔渣及保持熱度，以得到具以下組成的玻璃：

- SiO₂，53.8重量%

- Al₂O₃，22.9重量%

- MgO，4.7重量%

- Na₂O，14重量%

- K₂O，1.9重量%

- ZrO₂，2.2重量%

- SnO₂，0.4重量%

- CeO₂，0.1重量%。

然後鑄成一玻璃塊並作細冷卻，由此玻璃塊藉切割、研磨、抛光在進一步之步驟產生本發明玻璃的玻璃板，以下稱玻璃2。

因此與實例1不同者，玻璃組成中，Al₂O₃成分提高1重量%，MgO成分減少1重量%。

〔實例3〕

將玻璃1及玻璃2浸入在鹽槽液中(由熔融KNO₃組成)在430℃為時4小時作化學硬化。在此，Na離子從玻璃擴散到鹽熔融液，而K離子由鹽熔融液擴散到玻璃中，在玻璃板表面形成一20μm厚的擴散層。

以下的表1含有所測之玻璃1及玻璃2的性質值，以及習知玻璃的相關性質，該習知玻璃為廠商Coming的商標玻璃「Gorilla」，舉例而言，它用於在智慧型手機的顯示器的蓋玻璃。

關於粘度性值和結晶性質，可從測量值看出：關於在熔解範圍及加工範圍的粘度固定點的溫度，對於本發明的玻璃而言，相較於Gorilla的玻璃，係在低得多的溫度。

對於粘度log η=1~2的除熔渣(Läuter)最佳範圍，可看出：玻璃1達到粘度log η=1的溫度比起Gorilla玻璃低115K。對於log η=2，溫差為110K。在玻璃2的場合此值比Gorilla玻璃低50K(log η=1及log η=2)。亦即在溫度□1450℃時log η=2〔Pa．s〕。因此一般比起對照組的玻璃，在粘度範圍10~100Pa．s時平均除熔渣溫度下降50~100K。

因此在製造時，可保留一段溫度可用於不同的種類，例如溫度保留的應用可包含用於節省能量。用於降低耐火材料的負荷，用於改良品質及產率，或用於提高比熔解功率。

在圖式中，本發明的玻璃1、2的所測之粘度走勢與Gorilla玻璃和Schott公司的商標玻璃“Xensation”(它用於智慧型手機顯示器的蓋玻璃)的比較。圖示溫度範圍在1200℃~1550℃間。如圖所示，本發明的玻璃的粘度在整個溫度範圍中遠比先前技術的玻璃低。

此外玻璃1、2適用於浮動處理(Floatverarbeitung)的程序。如表1所示特別是玻璃2的液化溫度(1220℃)係低於一些代表性溫度，它們代表400Pa．s之間(log η為2.6~2.9)間的浮動處理範圍。此處，在玻璃2的情形，安全距離超過50℃。玻璃1沒有安全距離，但在預實驗的範圍中在細冷卻之鑄成的玻璃塊在相關溫度範圍看不到結晶。

關於機械性質，可由表看出，本發明的玻璃在未化學硬化狀態的Vickers硬度已比對照組玻璃約高了10%。這種差別在相當之擴散深度(玻璃1、2為20μm，Gorilla玻璃為30μm)場合硬化時更加突顯，因為此值在化學硬化時，本發明的玻璃還可提高約10%，而在對照組玻璃 的相對及絕對硬度增長都較小。

此外本發明的玻璃有較高的表面強度。依DIN 1288-5的Ring/Ring測量求出：該硬化之玻璃的表面強度比Gorilla玻璃高了30%。

此外，本發明的玻璃具有高表面強度，在依德國工業標準DIN 1288-5的Ring/Ring測量得知：該硬化玻璃的表面強度比Gorilla玻璃表面強度高30%。為了在此實驗中也將本發明的玻璃比起Gorilla玻璃所要之擴散深度較小的這一點也列入考慮(玻璃1、玻璃2為20微米，Gorilla玻璃為30微米)，故隨後在擴散層相當的厚度的場合依折射指數方法作光學測量。為此目的，在一變更實施例將玻璃1浸入一鹽溶液(由液態KNO₃構成)在440℃為時4小時作化學硬化。在此造成30微米厚的擴散層。在此表中對應列示的數值證實本發明的表面硬度高得多。

這表示，即使本發明的擴散深度較小，且在鹽溶液中駐留時間較少也較經濟，但比起習知玻璃來，刮損強度並不稍遜。

Claims (22)

1. 一種鹼金屬-鋁-矽酸鹽玻璃，其特徵在：具有SiO₂，47.5~55重量%，Al₂O₃，21~27.5重量%，Na₂O，12~16重量%，且Al₂O₃：Na₂O的莫耳比例在0.9：1到1.2：1之間，其中該玻璃不含CaO，且MgO含量在4~10重量%間。
2. 如申請專利範圍第1項之玻璃，其中：SiO₂含量在50~55重量%間。
3. 如申請專利範圍第2項之玻璃，其中：SiO₂含量在53~55重量%之間。
4. 如申請專利範圍第1項之玻璃，其中：Al₂O₃含量在21~25重量%間。
5. 如申請專利範圍第4項之玻璃，其中：Al₂O₃含量在21.5~23.5重量%間。
6. 如申請專利範圍第1~3項中任一項之玻璃，其中：Na₂O含量在13~16重量%間。
7. 如申請專利範圍第6項之玻璃，其中：Na.₂O含量在13.8~15.8重量%間。
8. 如申請專利範圍第1~4項中任一項之玻璃，其中：SiO₂對Al₂O₃的莫耳比例在2.5：1到4.8：1之間。
9. 如申請專利範圍第8項之玻璃，其中： SiO₂對Al₂O₃的莫耳比例在3.5：1到4.5：1之間。
10. 如申請專利範圍第9項之玻璃，其中：SiO₂對Al₂O₃的莫耳比例在3.9：1到4.2：1之間。
11. 如申請專利範圍第1~3項中任一項之玻璃，其中：Al₂O₃對Na₂O的莫耳比例在0.94：1到1.1：1之間。
12. 如申請專利範圍第1~3項中任一項之玻璃，其中：該玻璃更包含1.5~2.5重量%的K₂O及/或多可達1.5重量%的Li₂O。
13. 如申請專利範圍第1~3項中任一項之玻璃，其中：它含有大於0~1重量%之間的SnO₂，且含有在0~0.6重量%的CeO₂，及/或含有大於0~1重量%的氟。
14. 如申請專利範圍第13項之玻璃，其中：該玻璃含有0~0.3重量%間的SnO₂及大於0~0.2重量%間的CeO₂。
15. 如申請專利範圍第1~3項中任一項之玻璃，其中：它含有1.8~3.5重量%間的ZrO₂，及/或含有0.2~3.5重量%的ZnO。
16. 如申請專利範圍第15項之玻璃，其中：該玻璃含有2~2.5重量%間的ZrO₂。
17. 一種玻璃物品，具有由申請專利範圍第1~16項中任一項的玻璃或由該玻璃構成，該玻璃的表面至少部段或地具有一擴散層，其中該玻璃的鉀含量比其基本組成更高，且該玻璃的鋰含量及鈉含量比該基本組成更低。
18. 如申請專利範圍第17項之物品，其中：該擴散層厚度在10微米~60微米間。
19. 如申請專利範圍第18項之物品，其中： 擴散層厚度在15微米~35微米間。
20. 如申請專利範圍第19項之物品，其中：擴散層厚度在20微米~30微米間。
21. 如申請專利範圍第16~17項中任一項之物品，其中：該玻璃物品係一玻璃板。
22. 一種如申請專利範圍第17項的玻璃板的應用，其係用於做電子裝置的顯示器用的蓋玻璃，特別是行動電話或電腦的顯示器用的蓋玻璃。