TWI666185B - 具可調顏色的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷製品及其製作方法 - Google Patents

具可調顏色的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷製品及其製作方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭示可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及離子交換玻璃陶瓷。玻璃陶瓷展示出貝塔鋰輝石固溶體作為主晶相。該等玻璃及玻璃陶瓷(單位：莫耳%)包括：62-75之SiO2；10.5-18之Al2O3；5-14之Li2O；2-12之B2O3；及0.4-2之Fe2O3。另外，該等玻璃及玻璃陶瓷可展示出以下標準：比率：[Li 2 O+Na 2 O+K 2 O+MgO+ZnO] [Al2O3]介於0.8至1.5之間。
玻璃陶瓷亦展示出由-0.5與0.5之間的a*、-2.5與+2之間的b*及90與93之間的L*之鏡面反射率測定的、10°之觀察者角度及CIE照明體F02下的顏色。

Description

具可調顏色的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷製品及其製 作方法 【相關申請案之交互參照】
本申請案根據專利法主張於2014年6月30日提出申請之美國臨時申請案第62/018921號之優先權權益，本案依據該美國臨時申請案之內容且該美國臨時申請案以引用之方式全部併入本文。
本揭示內容係關於可結晶玻璃(可結晶成玻璃陶瓷的前驅物玻璃)、玻璃陶瓷、可離子交換(ion exchangeable；「IXable」)玻璃陶瓷及/或離子交換(ion exchanged；「IX」)玻璃陶瓷；製作上述者之製程；調諧上述者顏色之製程；及包含上述者之製品。詳言之，本揭示內容係關於可結晶玻璃(經調配可結晶成白色不透明玻璃陶瓷的前驅物玻璃，該等白色不透明玻璃陶瓷包括貝塔鋰輝石固溶體作為主晶相)；白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；可離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；及/或離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；製作上述者之製程；調諧上述者顏色之製程；及包含上述者之製品。
在過去的十年中，隨著諸如筆記型電腦、個人數位助理(personal digital assistant；PDA)、可攜式導航裝置(portable navigation device；PND)、媒體播放器、行動電話、可攜式儲存裝置(portable inventory device；PID)等(通常稱為「可攜式計算裝置」)之電子裝置已集為一體，同時該等裝置變得更小、更輕且功能更加強大。貢獻此類較小裝置之發展及可用性的一個因素在於藉由不斷減小電子組件大小來增加計算密度及操作速度的能力。然而，更小、更輕且功能更加強大的電子裝置之趨勢在關於可攜式計算裝置之一些組件設計方面存在持續挑戰。
與可攜式計算裝置關聯的組件所遇到的特定設計挑戰包括用於容納各個內部/電子組件的外罩或外殼。此設計挑戰大致源自兩個相互矛盾的設計目標--製作更輕且更薄的外罩或外殼的願望及製作強度更高且更具剛性的外罩或外殼的願望。更輕的外罩或外殼通常為具有少量緊固件的薄塑膠結構，該外罩或外殼傾向於更加可撓，同時具有撓曲及彎曲之傾向；相比之下，強度更高且更具剛性的外罩或外殼通常為具有較多緊固件的較厚塑膠結構，該等緊固件具有更多重量。不幸的是，強度更高、更具剛性塑膠結構的重量增加可導致使用者不滿，而更輕結構的彎曲及撓曲可損壞可攜式計算裝置之內部/電子組件及幾乎毫無疑問地導致使用者不滿。
在已知類別之材料中廣泛用於各種其他應用中的材料為玻璃陶瓷。舉例而言，玻璃陶瓷在廚房中被廣泛用作灶臺面、炊具及餐具，諸如碗、餐盤及類似者。透明玻璃陶瓷用於生產烤箱及/或爐窗、光學元件、鏡面基板及類似者。通常藉由在指定溫度下使可結晶玻璃在指定時段內結晶以在玻璃基質中成核及生長晶相來製作玻璃陶瓷。基於SiO2-Al2O3-Li2O玻璃系統的兩種玻璃陶瓷包含具有貝塔石英固溶體(「貝塔石英ss」或「貝塔石英」)作為主晶相或貝塔鋰輝石固溶體(「貝塔鋰輝石ss」或「貝塔鋰輝石」)作為主晶相的彼等玻璃陶瓷。
如上所述，鑒於現有外罩或外殼的前述問題，需要諸如可結晶玻璃(經調配可結晶成玻璃陶瓷的前驅物玻璃)及/或貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及/或可離子交換貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及/或離子交換貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之材料，該等材料潛在地以更加成本有效的方式為可攜式計算裝置提供改良的外罩或外殼。此外，需要此類在以美觀方式解決產生輕、強度大且剛性外罩或外殼之設計挑戰的同時提供改良的白度水平及/或不透明顏色之材料。
本揭示內容之實施例之一些態樣及/或實施例(「態樣及/或實施例」)係關於可結晶玻璃，該等可結晶玻璃經調配可結晶成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷。此類可結晶玻璃(單位：莫耳百分比(莫耳%))包括：自約62至約75範圍內之SiO2； 自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3，而在替代態樣中，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；自約0.05至約0.5範圍內之SnO2；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3，而在其他替代態樣中，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組，而在更進一步替代態樣中，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；自約0.05至約0.5範圍內之SnO2；及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、 Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組。
另外，在一些實施例中，可結晶玻璃可展示出以下組成標準：[Li 2 O+Na 2 O+K 2 O+MgO+ZnO]之莫耳總量與[Al2O3]之莫耳量比率可處於自約0.8至約1.5範圍內。
本揭示內容之一些其他態樣及/或實施例係關於具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷。此類白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3，而在替代態樣中，該等白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；自約0.05至約0.5範圍內之SnO2；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3，而在進一步替代態樣中，該等白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3； 及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組，而在更進一步替代態樣中，該等白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；自約0.05至約0.5範圍內之SnO2；及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組。
另外，在一些實施例中，此類白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷可展示出以下組成標準：[Li 2 O+Na 2 O+K 2 O+MgO+ZnO]之莫耳總量與[Al2O3]之莫耳量之比率可處於自約0.8至約1.5範圍內。
本揭示內容之其他態樣及/或實施例係關於形成經調配可結晶成白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷的可結晶玻璃之方法，及形成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之方法。在態樣中，一些方法包括熔化原材料之混合物，該混合物經調配以在熔化後產生可結晶玻璃，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括： 自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3，而在替代態樣中，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；自約0.05至約0.5範圍內之SnO2；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3，而在進一步替代態樣中，該等白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組，而在更進一步替代態樣中，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；自約0.05至約0.5範圍內之SnO2；及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、 Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組。
在額外態樣中，此類原材料混合物經調配以在熔化後產生可結晶玻璃，該等可結晶玻璃展示出以下組成標準：[Li 2 O+Na 2 O+K 2 O+MgO+ZnO]之莫耳總量與[Al2O3]之莫耳量之比率可處於自約0.8至約1.5範圍內。
在進一步態樣中，一些其他方法包括藉由轉變可結晶玻璃形成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的玻璃陶瓷之方法。此類其他方法包括：(i)以1-10℃/分鐘之速率將經調配可結晶成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的玻璃陶瓷之可結晶玻璃加熱至700℃與810℃之間範圍內之成核溫度(Tn)；(ii)將可結晶玻璃維持在成核溫度，以產生玻璃製品組成物及/或成核可結晶玻璃；(iii)以1-10℃/分鐘之速率將成核可結晶玻璃加熱至850℃與1200℃之間範圍內之結晶溫度(Tc)；(iv)將成核可結晶玻璃維持在結晶溫度，以產生具有貝塔鋰輝石作為主晶相的玻璃陶瓷。
在更進一步態樣中，製作玻璃陶瓷之其他方法包括：(i)以1-10℃/分鐘之速率將成核可結晶玻璃加熱至850℃與1200℃之間範圍內之成核溫度(Tc)；(ii)選擇結晶溫度來基於a*與b*之間的關聯調諧顏色，其中：(a)以針對10°之觀察者角度及CIE照明體F02由使用分光光度計且包括鏡面反射率的反射光譜量測測定的CIELAB顏色 空間坐標呈現顏色，該等坐標包含：(1)自約-0.5至約0.5範圍內之CIE a*；(2)自約-2.5至約2範圍內之CIE b*；及(3)自約90至約93範圍內之CIE L*；及(b)基於a*與b*之間的關聯，a*對b*之曲線圖具有約8與約22之間的△b*/△a*之斜率；及(iii)將成核可結晶玻璃維持在結晶溫度，以產生具有貝塔鋰輝石作為主晶相的玻璃陶瓷。
製品組成物及/或白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷、可離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及/或離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷可用於各種電子裝置或可攜式計算裝置中，該等電子裝置或可攜式計算裝置可經配置用於無線通訊，諸如：電腦及電腦附件，諸如「滑鼠」、鍵盤、監視器(例如，液晶顯示器(liquid crystal display；LCD)，該液晶顯示器可為冷陰極螢光燈(cold cathode fluorescent light；CCFL)(CCFL背光LCD)、發光二極體(light emitting diode；LED)(LED背光LCD)等中的任一者，電漿顯示面板(plasma display panel；PDP)及類似者)、遊戲控制器、平板、隨身碟(thumb drive)、外部驅動機、白板等；個人數位助理(PDA)；可攜式導航裝置(PND)；可攜式儲存裝置(PID)；娛樂裝置及/或中心、裝置及/或中心附件，諸如調諧器、媒體播放器(例如，唱片、磁帶、光碟、固態碟等)、電纜及/或衛星接收器、鍵盤、監視器(例如，液晶顯示器(LCD)，該液晶顯示器可為冷陰極螢光燈(CCFL背光LCD)、發光二極體(LED背光LCD)等中的任一者， 電漿顯示面板(PDP)及類似者)、遊戲控制器等；電子閱讀裝置或電子閱讀器；行動或智慧型電話等。作為替代實例，白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷、可離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及/或離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷可用於汽車、電氣設備及甚至建築應用中。
本揭示內容之實施例、特徵及優勢之眾多其他態樣將自以下描述及隨附圖式顯而易見。在描述及/或隨附圖式中，參閱本揭示內容之示例性態樣及/或實施例，該等態樣及/或實施例可被個別應用或以任何方式彼此組合應用。此類態樣及/或實施例並不表示本揭示內容之全部範疇。因此，應參閱本文中的申請專利範圍以便解釋本揭示內容之全部範疇。為了簡潔及簡明起見，本說明書中所闡述之值的任何範圍涵蓋該範圍內的所有值，且該等值範圍將被視為對列舉具有端點的任何子範圍的申請專利範圍之支援，該等端點為討論中的指定範圍內之實數值。藉由假設的說明性實例舉例，本揭示內容中自約1至5之範圍的列舉應視為支援對以下範圍中的任一者的主張：1-5；1-4；1-3；1-2；2-5；2-4；2-3；3-5；3-4；及4-5。此外，為了簡潔及簡明起見，應理解，諸如「係」、「為」、「包括」、「具有」、「包含」及類似者之術語係方便用詞且不欲被視為限制性術語，但在適宜情況下可含有術語「包含」、「基本上由……組成」、「由……組成」及類似者之義。
本揭示內容之該等及其他態樣、優勢及顯著特徵將自以下描述、隨附圖式及隨附申請專利範圍變得顯而易見。
第1圖圖示顏色坐標a*對b*之曲線圖；第2圖圖示結晶溫度對顏色坐標L*之曲線圖；第3圖圖示Fe2O3濃度對顏色坐標a*、b*及L*之曲線圖；第4圖圖示a*對b*隨結晶溫度變化之曲線圖；第5圖圖示b*對L*隨結晶溫度變化之曲線圖；第6圖圖示波長範圍內之%總反射率之曲線圖；及第7圖圖示離子交換玻璃陶瓷之前及之後顏色坐標a*、b*及L*中的差異之曲線圖。
在本揭示內容之示例性態樣及/或實施例之以下描述中，參看形成本揭示內容之一部分的隨附圖式，且在該等隨附圖式中藉由圖示可實踐本揭示內容之特定態樣及/或實施例來圖示。儘管足夠詳細地描述了該等態樣及/或實施例以使得熟習此項技術者能夠實踐本揭示內容，但應理解，並不意欲據此限制本揭示內容之範疇。本文所說明之特徵的替代及進一步修改以及本文所說明之原理之額外應用將被視為屬於本揭示內容之範疇內，對熟習相關技術且具有本揭示內容之所有權者能想到該等替代、修改及 應用。特定而言，在不脫離本揭示內容之精神或範疇的情況下，可使用其他態樣及/或實施例，可實行邏輯變化(例如，不限於化學組成{例如，不限於化學品、材料及類似者中的任何一或更多者}、電氣、電化學、機電、電光、機械、光學、物理、物理化學及類似者中的任何一或更多者)及其他變化。因此，並未以限制性意義獲取以下描述，且藉由隨附申請專利範圍界定本揭示內容之態樣及/或實施例之範疇。亦應理解，諸如「頂部」、「底部」、「向外」、「向內」及類似者之術語係方便用詞，且不欲被視為限制性術語。此外，除非本文另有指定，值範圍包括該範圍之上限及下限兩者。舉例而言，約1莫耳%至10莫耳%之間的範圍包括1莫耳%與10莫耳%兩個值。另外，本文所使用之修飾數目的術語「約」意指處於所報告數值的10%以內。
如所指出，本揭示內容之各個態樣及/或實施例係關於一種製品及/或機器或設備，該製品及/或機器或設備由本揭示內容之白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；可離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；及/或離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷中的一或更多者形成及/或包括上述者中的一或更多者。作為一個實例，白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；可離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；及/或離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷可用於各種電子裝置或可攜式計算裝置中，該等電子裝置或可攜式計算裝置可經配置用於無線通訊，諸如：電腦及電腦附件，諸如「滑鼠」、鍵盤、監視器(例如，液晶顯 示器(LCD)，該液晶顯示器可為冷陰極螢光燈(CCFL背光LCD)、發光二極體(LED背光LCD)等中的任一者，電漿顯示面板(PDP)及類似者)、遊戲控制器、平板、隨身碟、外部驅動機、白板等；個人數位助理(PDA)；可攜式導航裝置(PND)；可攜式儲存裝置(PID)；娛樂裝置及/或中心、裝置及/或中心附件，諸如調諧器、媒體播放器(例如，唱片、磁帶、光碟、固態碟等)、電纜及/或衛星接收器、鍵盤、監視器(例如，例如，液晶顯示器(LCD)，該液晶顯示器可為冷陰極螢光燈(CCFL背光LCD)、發光二極體(LED背光LCD)等中的任一者，電漿顯示面板(PDP)及類似者)、遊戲控制器等；電子閱讀裝置或電子閱讀器；行動或智慧型電話等。作為替代實例，白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；可離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；及/或離子交換白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷可用於汽車、電氣設備及甚至建築應用中。為此，需要調配可結晶玻璃以具有足夠低的軟化點及/或足夠低的熱膨脹係數以便可與形成複雜形狀的操縱相容。
根據本揭示內容之態樣及/或實施例的具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及經調配結晶成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3，而在替代 態樣中，Fe2O3處於自約0.5至約2，約0.6至約2，約0.7至約2，約0.8至約2，約0.9至約2，約1至約2，約1.5至約2，約0.4至約1.5，約0.5至約1.5，約0.6至約1.5，約1至約2，或約1至約1.5範圍內(單位：莫耳%)。在替代態樣中，根據本揭示內容之態樣及/或實施例的具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及經調配結晶成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之可結晶玻璃(單位：莫耳%)亦可包括：自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；及自約0.05至約0.5範圍內之SnO2。
在其他替代態樣中，根據本揭示內容之態樣及/或實施例的具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及經調配結晶成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組。在替代態樣中，根據本揭示內容之態樣及/或實施例的具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及經調配結晶成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色不透明貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之可結 晶玻璃(單位：莫耳%)亦可包括：自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；及自約0.05至約0.5範圍內之SnO2。可難以修改具有貝塔鋰輝石作為主晶相的白色貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之顏色坐標，因為顏色及不透明度受到金紅石微晶相控制。然而，白色貝塔鋰輝石玻璃陶瓷中包括過渡金屬氧化物(諸如上文所列出者(例如，Fe2O3、CoO、Cr2O3、Cu2O、MnO2、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3及Ta2O5))擴大了顏色可調諧性。
在一些態樣中，此類玻璃陶瓷及可結晶玻璃展示出以下組成標準：[Li 2 O+Na 2 O+K 2 O+MgO+ZnO]之莫耳總量與[Al2O3]之莫耳量之比率可處於自約0.8至約1.5範圍內。
藉由調配可結晶玻璃以具有此比率之預指定值，可能最大化使用此類可結晶玻璃製作的玻璃陶瓷中的貝塔鋰輝石。
在一些額外態樣中，此類玻璃陶瓷展示出以下晶相組合：(1)貝塔鋰輝石固溶體，展示出自1：1：4.5至1：1：8或者自1：1：4.5至1：1：7範圍之Li2O：Al2O3：SiO2，且包含至少70重量%之晶相；(2)至少一個含Ti晶相，包含： a. 約2.5重量%至8重量%之玻璃陶瓷之晶相，b. 展示出長度≧約50nm的針狀形態，及c. 金紅石；及視情況，(3)一或更多個晶相，該等晶相展示出尖晶石結構且包含1重量%至10重量%之晶相。
在進一步態樣中，此類玻璃陶瓷展示出在400nm至700nm之波長範圍內對於0.8mm厚度的不透明度及/或≧85%之不透明度。
在更進一步態樣中，當在CIE照明體F02的CIELAB顏色空間坐標中呈現約350nm至800nm之間所獲得之量測結果時，此類玻璃陶瓷展示出約90以上之明度(L*)水平，在一些替代態樣中，L*的範圍自約90至約93。在額外態樣中及再次針對CIE照明體F02的CIELAB顏色空間坐標呈現結果，此類玻璃陶瓷製品展示出自約-0.5至0.5範圍的a*值及自約-2.5至約2範圍的b*值。
如所指出，根據本揭示內容之態樣及/或實施例的玻璃陶瓷展示出或具有「貝塔鋰輝石固溶體作為主晶相」(或者稱「貝塔鋰輝石ss作為主晶相」或「貝塔鋰輝石作為主晶相」)意謂貝塔鋰輝石固溶體(或者稱「貝塔鋰輝石ss」或「貝塔鋰輝石」)構成根據本揭示內容之態樣及/或實施例的玻璃陶瓷之所有晶相的約70重量%(重量%)以上。根據本揭示內容之態樣及/或實施例的玻璃陶瓷之其他可能晶相之非限制性實例包括：貝塔石英固溶體(「貝塔石英ss」或「貝塔石英」)；貝塔鋰霞石固溶體(「貝 塔鋰霞石ss」或「貝塔鋰霞石」)；尖晶石固溶體(「尖晶石ss」或「尖晶石」{諸如例如鋅尖晶石等})；含Ti晶相(諸如例如金紅石、銳鈦礦、鈦酸鎂{諸如例如板鈦鎂礦(MgTi2O5)等}、鈦酸鋁{諸如例如鋁假板鈦礦(Al2TiO5)等}等)；堇青石(諸如例如{Mg,Fe}2Al3{Si5AlO18}至{Fe,Mg}2Al3{Si5AlO18})及類似物。
當此類玻璃陶瓷經歷一或更多個離子交換處理以產生離子交換玻璃陶瓷時，根據本揭示內容之態樣及/或實施例的貝塔鋰輝石玻璃陶瓷中貝塔鋰輝石固溶體之主導地位可為有益的。舉例而言，當將Li離子交換成各種陽離子(例如，Na、K、Rb等之離子)時，貝塔鋰輝石之結構可展示出可撓性而不會破壞框架。
根據本揭示內容之一些態樣及/或實施例，貝塔鋰輝石玻璃陶瓷可經特性化為不透明及/或白色。在此類情況中，申請人已發現，為了實現所欲不透明度及/或所欲白度水平，此類貝塔鋰輝石玻璃陶瓷包括一或更多個含Ti晶相(包括金紅石)作為次晶相。此一或更多個含Ti晶相之實例包括金紅石(TiO2)中的任一者，且視情況，可包括銳鈦礦(TiO2)、板鈦鎂礦(MgTi2O5)鋁假板鈦礦(Al2TiO5)等及上述之混合物中的一或更多者。當需要實現所欲不透明度及所欲白度水平時，申請人已發現，為了實現不透明度及白度水平之所欲程度，此類貝塔鋰輝石玻璃陶瓷包括一或更多個含Ti晶相(包括金紅石)，可為針 狀晶體，該等針狀晶體在一些態樣中展示出長度≧50nm，在其他態樣中長度≧110nm及在其他態樣中長度≧1μm，而在一些情形中至多2μm。
尖晶石係具有通式AB2O4及立方形基本尖晶石結構的晶體氧化物。原型尖晶石結構具有鋁酸鎂(MgAl2O4)。在基本尖晶石結構中，O原子填充面心立方(face centered cubic；FCC)陣列之位點；A原子佔據FCC結構中的四面體位點(A位點)中的一些；且B原子佔據FCC結構中的八面體位點(B位點)。在正尖晶石中，A與B原子為不同，A為+2離子且B為+3離子。在無序尖晶石中，在A位點及B位點上隨機分佈+2離子及+3離子。在反尖晶石中，由+3離子佔據A位點，其結果是，B位點具有+2離子及+3離子之相等混合物，且A與B原子可為相同。在一些情形中，可由+2離子、+3離子及/或+4離子佔據一些A位點，而在相同或其他情形中，可由+2離子、+3離子及/或+4離子佔據B位點。A原子之一些實例包括鋅、鎳、錳、鎂、鐵、銅、鈷等。此外，B原子之一些實例包括鋁、銻、鉻、鐵、錳、鈦、釩等。廣泛範圍之固溶體常見於尖晶石中，且可由通式()[]O4表示。舉例而言，在ZnAl2O4與MgAl2O4之間獲得完全固溶體，該完全固溶體可由式()Al2O4表示。根據本揭示內容之一些態樣及/或實施例，貝塔鋰輝石玻璃陶瓷包括展示出尖晶石結構的一或更多個晶相，在態樣中該等晶相具有接近於鋅尖晶石ZnAl2O4的組成。此外，已發現，隨著ZnO或ZnO及 Al2O3的量增加，此類貝塔鋰輝石玻璃陶瓷可具有增加量之鋅尖晶石。鋅尖晶石之折射率(n)可介於1.79-1.82之間，該折射率可比貝塔鋰輝石之折射率(n=1.53與1.57之間)更高，但比金紅石之折射率(n=2.61與2.89之間)明顯更小。此外，與四方形的貝塔鋰輝石及金紅石相比，立方形尖晶石可展示出無雙折射率。因此，申請人認為，尖晶石(大體而言)及含Zn尖晶石(特定而言)對貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之顏色將比金紅石具有更小影響。
在本揭示內容之實施例之態樣中，當貝塔鋰輝石玻璃陶瓷包括包含金紅石的含Ti晶相時，該晶相可介於該等晶相的2.5重量%至6重量%之間。申請人已發現，藉由將金紅石維持為晶相的至少2.5重量%可確保最小所欲不透明度水平，而藉由將金紅石維持為晶相的6重量%或更少可維持所欲不透明度水平，同時可確保所欲白色水平。換言之，貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之TiO2含量可介於2莫耳%至5莫耳%之間，且藉由維持至少2莫耳%可確保最小所欲不透明度水平，而藉由維持5莫耳%或更少可維持所欲不透明度水平，同時可確保所欲白色水平。
為了比較，數種材料之折射率(n)遞減排列如下：金紅石(n=2.61與2.89之間)；銳鈦礦(n=2.48與2.56之間)；金剛石(n=2.41與2.43之間)；鋅尖晶石(n=1.79與1.82之間)；藍寶石(n=1.75與1.78之間)；堇青石(n=1.52與1.58之間)；貝塔鋰輝石(n=1.53與1.57之間)；及剩餘玻璃(n=1.45與1.49之間)。亦為 了比較，一些相同材料之雙折射率(△n)遞減排列如下：金紅石(△n=0.25與0.29之間)；銳鈦礦(△n=0.073)；藍寶石(△n=0.008)；堇青石(△n=0.005與0.017之間)；金剛石(△n=0)；及鋅尖晶石(△n=0)。基於上述資料，可看出，一些名Ti晶相且尤其是金紅石為展示出一些最高折射率的材料。另外，另一方面可看出，一些含Ti晶相且尤其是金紅石之相對較高的雙折射率(△n)係四方晶體結構之各向異性特徵的結果。隨著玻璃陶瓷之主晶相(例如，貝塔鋰輝石{n=1.53與1.57之間})及/或任何剩餘玻璃(n=1.45與1.49之間)及任何次晶相間折射率或者雙折射率任一者中的差異增加，可見光波長之散射可繼而增加不透明度。單獨每一特徵中的差異可為有益的，而兩者中的差異更為有益。給出一些含Ti晶相且尤其是金紅石及基質相(貝塔鋰輝石及任何剩餘玻璃)兩者中的差異的情況下，本揭示內容之貝塔鋰輝石玻璃陶瓷展示出理想水平之散射，該散射水平可為相對較高且因此所需及所欲不透明度同樣可為高的。
Al2O3貢獻了展示出貝塔鋰輝石作為主晶相的本揭示內容之貝塔鋰輝石玻璃陶瓷。因此，需要最少約10莫耳%之Al2O3。由於所得富鋁紅柱石液相線使得難以熔化及形成可結晶玻璃，約18莫耳%以上之Al2O3為非所欲的。
包括Na2O及K2O可降低可結晶玻璃之熔化溫度及/或賦能較短結晶循環。
本揭示內容之可結晶玻璃及/或貝塔鋰輝石玻璃陶瓷含有2-12莫耳%之B2O3。通常可在1600℃以下，在某些態樣及/或實施例中約1580℃以下，而在某些其他態樣及/或實施例中約1550℃以下熔化本揭示內容之可結晶玻璃，使得可結晶玻璃在相對較小的市售玻璃槽中熔化。包括B2O3有助於降低熔化溫度。進一步地，添加B2O3可改良玻璃陶瓷之抗損壞性。舉例而言，添加B2O3可增加維氏裂紋引發閾值。
MgO及ZnO可充當可結晶玻璃之助熔劑。因此，需要最小莫耳%總和為2莫耳%之[MgO+ZnO]以獲得1600℃以下之玻璃熔化溫度。Mg離子及較少程度上的Zn離子可參與貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之貝塔鋰輝石中或與Al2O3反應以形成尖晶石晶相。
將可結晶玻璃中的Li2O維持在5莫耳%至14莫耳%之間促進了貝塔鋰輝石固溶體晶相之形成。此外，Li2O充當助熔劑以降低可結晶玻璃之熔點。因此，需要最少5莫耳%之Li2O以便獲得所欲貝塔鋰輝石相。由於可在玻璃陶瓷形成期間產生不想要的相(諸如矽酸鋰等)，14莫耳%以上之Li2O可為非所欲的。
可結晶玻璃中包括適宜類型及量的一或更多種成核劑，以促進成核及/或結晶加熱處理期間至少貝塔鋰輝石作為主晶相及任何所欲一或更多個次晶相之成核及/或生長。一或更多種成核劑之適宜類型為TiO2、ZrO2等，而適宜量為TiO2：至多6莫耳%；及/或ZrO2：至多2莫耳 %等。少量SnO2看上去似乎進入固溶體中的金紅石相，且因此可貢獻成核。在態樣及/或實施例中，申請人已發現，當需要形成一或更多個含Ti相以實現規定程度之不透明度及白度水平時，需要包括TiO2作為成核劑。在其他態樣及/或實施例中，包括ZrO2作為成核劑可增加成核效率。因此，小心規定一或更多種成核劑之類型及量。應注意，在關於貝塔鋰輝石玻璃陶瓷(視情況展示出貝塔石英固溶體)的某些態樣及/或實施例中，需要最小莫耳%總和超過2.5莫耳%的[TiO2+SnO2]作為可結晶玻璃之成分。換言之，有效量之此莫耳%總和[TiO2+SnO2]經調配為可結晶玻璃之成分，使得以有效方式發生成核及實現生長為預選定且適宜的晶相集合體。應注意，由於所得高金紅石液相線在可結晶玻璃之成型期間具有困難增加之潛在問題，6莫耳%以上之TiO2為非所欲的。此外，應注意，除可能對成核有微小貢獻以外，包括SnO2可部分用作可結晶玻璃製造期間的澄清劑以貢獻該等可結晶玻璃之品質及完整性。
將比率：[TiO 2 +SnO 2 ] [SiO2+B2O3]在一些態樣中維持在大於0.04，且在一些替代態樣中維持在大於0.05，可貢獻實現預選定且適宜的晶相集合體，該等晶相組合繼而貢獻實現規定不透明度及/或白度水平。
此外，在根據態樣及/或實施例之貝塔鋰輝石玻璃陶瓷及/或其可結晶玻璃中，申請人已發現，貝塔鋰輝石 晶相展示出1：1：4.5-1：1：8之間的Li2O：Al2O3：nSiO2比率為理想的。因此，需要1：1：4.5之最小比率以避免在所得貝塔鋰輝石玻璃陶瓷中過量水平之不穩定剩餘玻璃之形成。由於可出現可結晶玻璃之可熔性方面的問題，1：1：8以上之比率為不良。在一些實施例中，MgO可被Li2O取代以使得MgO之莫耳量除以[MgO+Li2O]之莫耳總量可為至多約30%。
可由根據本揭示內容之態樣及/或實施例之貝塔鋰輝石玻璃陶瓷所展示的其他特性包括以下之一或更多者：(1)無線電及微波頻率透明度，由小於0.03之損耗角正切及15MHz至3.0GHz之間之頻率範圍內所界定；(2)大於0.8MPa‧m½之斷裂韌性；(3)大於20,000psi之斷裂模數(Modulus of Rupture；MOR)；(4)至少400kg/mm2之羅普硬度；(5)小於4W/m℃之導熱性；及(6)小於0.1體積%之孔隙率。
在關於製品(大體而言)及電子裝置外殼或外罩(特定而言)(各自部分地或完全地由貝塔鋰輝石玻璃陶瓷組成)的態樣及/或實施例中，此類製品及/或貝塔鋰輝石玻璃陶瓷展示出無線電及微波頻率透明度，如在一些態樣中小於0.02；在替代態樣中小於0.01；及在更進一步 態樣中小於0.005之損耗角正切所界定，該損耗角正切係在約25℃下自15MHz至3.0GHz之頻率範圍內測定。此無線電及微波頻率透明度特徵可尤其有益於外罩內包括天線的無線手持裝置。此無線電及微波透明度允許無線訊號穿過外殼或外罩及在一些情況中增強該等透射。當此類製品及/或貝塔鋰輝石玻璃陶瓷展示出與損耗角正切之上述值組合在約25℃下自15MHz至3.0GHz範圍內之頻率上所決定之小於約10；或者，小於約8；或再次，小於約7的介電常數時，可實現額外益處。
在關於已經化學強化之貝塔鋰輝石玻璃陶瓷的本揭示內容之更進一步態樣及/或實施例中，此類離子交換貝塔鋰輝石玻璃陶瓷展示出大於0.8MPa‧m½；或者，大於0.85MPa‧m½；或再次，大於1MPa‧m½之斷裂韌性。獨立於所述斷裂韌性或與所述斷裂韌性組合，此類離子交換貝塔鋰輝石玻璃陶瓷展示出大於40,000psi或者大於50,000psi之MOR。
本揭示內容之其他態樣及/或實施例係關於形成經調配可結晶成玻璃陶瓷的可結晶玻璃之方法，及形成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的玻璃陶瓷之方法。在態樣中，一些方法包括熔化原材料之混合物，該混合物經調配以在熔化後產生可結晶玻璃，該等可結晶玻璃包括(單位：莫耳%)：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3， 而在替代態樣中，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；自約0.05至約0.5範圍內之SnO2；及自約0.4至約2範圍內之Fe2O3，而在進一步替代態樣中，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組，而在更進一步替代態樣中，該等可結晶玻璃(單位：莫耳%)包括：自約62至約75範圍內之SiO2；自約10至約18範圍內之Al2O3；自約5至約14範圍內之Li2O；自約2至約12範圍內之B2O3；自0至約8範圍內之MgO；自0至約4範圍內之ZnO；自約2至約5範圍內之TiO2；自0至約5範圍內之Na2O；自0至約4範圍內之K2O；自約0.05至約0.5範圍內之SnO2；及自約0.01至約2範圍內之金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、Cr2O3、Cu2O、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組。
在額外態樣中，此類原材料混合物經調配以在熔化後產生可結晶玻璃，該等可結晶玻璃展示出以下組成標準：[Li 2 O+Na 2 O+K 2 O+MgO+ZnO]之莫耳總量與[Al2O3]之莫耳量之比率可處於自約0.8至約1.5範圍內。
在其他態樣中，原材料之此類混合物經調配以在約1600℃以下的溫度下澄清及均勻化熔化玻璃組成後產生上述可結晶玻璃。還有其他態樣包括將熔化之可結晶玻璃成形為玻璃製品。
在進一步態樣中，一些其他方法包括藉由轉變可結晶玻璃形成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的玻璃陶瓷之方法。此類其他方法包括：(i)以自約1℃/分鐘至約10℃/分鐘範圍內之速率將玻璃製品組成物及/或經調配可結晶成具有貝塔鋰輝石作為主晶相的玻璃陶瓷之可結晶玻璃加熱至自約700℃至約810℃範圍內之成核溫度(Tn)；(ii)將玻璃製品組成物及/或可結晶玻璃維持在成核溫度一段時間，該時間例如處於15分鐘至2小時範圍內，以產生玻璃製品組成物及/或成核可結晶玻璃；(iii)以自約1℃/分鐘至約10℃/分鐘範圍內之速率將玻璃製品組成物及/或成核可結晶玻璃加熱至自約850℃至約1200℃範圍內之結晶溫度(Tc)；(iv)將玻璃製品組成物及/或成核可結晶玻璃維持在結晶溫度一段時間，該時間例如處於約15分鐘至4小時範圍內，以產生製品組成物及/或具有貝塔鋰輝石作 為主晶相的玻璃陶瓷；及(v)將製品組成物及/或貝塔鋰輝石玻璃陶瓷冷卻至室溫。
如上文所指出，在一些態樣中，玻璃陶瓷製品展示出自約90至約93範圍的L*、自約-0.5至約0.5範圍的a*值及/或自約-2.5至約2範圍的b*值之CIELAB顏色空間坐標。在一些態樣中，可存在隨結晶溫度變化的a*與b*之間的關聯，其中a*對b*之曲線圖具有約8與約22之間的△b*/△a*之斜率，及/或存在隨結晶溫度變化的L*與b*之間的關聯，其中b*對L*之曲線圖具有約0.75與約1.25之間的△L*/△b*之斜率。此外，在一些態樣中，可選擇結晶溫度(Tc)以基於a*與b*之間的關聯及/或L*與b*之間的關聯調諧顏色。
可將無水硼酸用作B2O3之來源。可將鋰輝石、精細氧化鋁及偏磷酸鋁用作起始物質。熟習此項技術者可根據玻璃陶瓷之目標最終組成計算所使用之批料量。如上文所論及，已發現為有益的澄清劑為約0.05莫耳%至0.15莫耳%之間量的SnO2。
隨後將混合批料裝入玻璃槽，並根據習知玻璃熔化製程熔化。熟習玻璃熔化技術者可在上述組成範圍內調節批料之組成，以精調玻璃之熔化難易度以便適應玻璃熔化槽之操作容量及溫度。可使用習知方法均勻化及澄清熔化玻璃。儘管具有1600℃以上熔化溫度的一些玻璃可結晶以形成貝塔石英及/或貝塔鋰輝石固溶體玻璃陶瓷，但此類高溫熔化通常必須在具有特殊設計的昂貴熔化槽中實 施。另外，此類高熔化溫度玻璃之液相線行為常需要較高溫度壓製及模製。
隨後將均勻化、澄清且熱均勻熔化玻璃成形為所欲形狀。可使用各種成形方式，諸如澆注、模製、壓製、捲動、浮動及類似者。大體而言，應在比液相線黏度更低的黏度(因此，比液相線溫度更高的溫度)下傳遞玻璃。以壓製為例。先將玻璃傳遞至高溫模具中，並藉由使用柱塞使玻璃成形為具有所欲形狀、表面紋理及表面粗糙度的玻璃製品。為了獲得低表面粗糙度及精確表面輪廓，需要精密柱塞來壓製模具中所填充的玻璃膏球。若需要高IR透射，亦要求柱塞不會將吸收IR的氧化物或其他缺陷引入到玻璃製品表面上。隨後自模具移除模製件，並將該等模製件移送至玻璃退火裝置以移除模製件中的充足應力，以便在需要及理想情況下執行進一步處理。此後，出於品質控制目的，檢查冷卻玻璃模製件，並分析其化學及物理特性。為了符合產品規格，可測試表面粗糙度及輪廓。
為了生產本揭示內容之玻璃陶瓷製品，將由此製備之玻璃製品置放到結晶窯內以經歷結晶製程。根據需要程式控制該窯之溫度時間分佈，且使該溫度分佈最佳化以確保玻璃模製件及其他玻璃製品(諸如玻璃板及類似者)成形為具有貝塔鋰輝石作為主晶相的玻璃陶瓷製品。如上文所描述，結晶製程期間的玻璃組成及熱歷程決定最終產品中的最終晶相、晶相集合體及微晶大小。大體而言，首先將玻璃製品加熱至成核溫度(Tn)範圍，在該溫度範圍內 晶核開始形成。隨後，將玻璃製品加熱至甚至更高的最大結晶溫度Tc以獲得貝塔鋰輝石結晶。常常需要將製品保持在Tc一段時間，使得結晶達到所欲程度。為了獲得本揭示內容之玻璃陶瓷製品，成核溫度Tn介於700℃至810℃之間，且最大結晶溫度Tc介於850℃至1200℃之間。在結晶後，允許製品退出結晶窯，並冷卻至室溫。熟習此項技術者可調節Tn、Tc及結晶循環之溫度時間分佈以適應上述範圍內的不同玻璃組成。本揭示內容之玻璃陶瓷製品可有利地展示出不透明白色。
在最終所欲用途之前，可進一步處理本揭示內容之玻璃陶瓷製品。一個此類後處理包括玻璃陶瓷之離子交換處理以形成離子交換玻璃陶瓷製品，該離子交換玻璃陶瓷製品具有的至少一個表面的至少一部分經歷離子交換製程，以使得該至少一個表面的離子交換部分展示出具有整個製品厚度之大於或等於2%的層深度(depth of layer；DOL)的壓縮層，同時展示出至少300MPa之表面內壓縮應力(σs)。熟習此項技術者已知的任何離子交換製程可為適宜的，只要上述DOL及壓縮應力(σs)為可實現的即可。
在一更特定實施例中，外殼或外罩展示出2mm之總厚度及壓縮層展示出40μm之DOL，其中彼壓縮層展示出至少150MPa之壓縮應力(σs)。再次，實現該等特徵的任何離子交換製程為適宜的。
應注意，除單個步驟離子交換製程外，可使用多個離子交換程序產生經設計之離子交換輪廓以便獲得增強的效能。亦即，藉由使用經調配具有不同離子濃度的離子交換浴或藉由使用用具有不同離子半徑的不同離子種類調配之多個離子交換浴產生達選定深度之應力輪廓。
本文所使用之術語「離子交換」應理解為意指用含有離子的加熱溶液處理經加熱的貝塔鋰輝石玻璃陶瓷或可結晶玻璃組成，該等離子具有與玻璃陶瓷表面、可結晶玻璃及/或塊體內所存在之離子不同的離子半徑，因此取決於離子交換(「IX」)溫度條件用較大離子替換具有較小離子的彼等離子或反之亦然。舉例而言，再次取決於離子交換溫度條件，鉀(K)離子可替換玻璃陶瓷中的鈉(Na)離子或者被玻璃陶瓷中的鈉(Na)離子替換。或者，具有較大原子半徑的其他鹼金屬離子(諸如(Rb)銣或銫(Cs))可替換玻璃陶瓷或可結晶玻璃中的較小鹼金屬離子。類似地，在離子交換(「IX」)製程中可使用其他鹼金屬鹽，諸如但不限於硫酸鹽、鹵化物及類似者。
在本方法中，應設想，兩種類型之離子交換皆可發生；亦即，將較大離子替換成較小離子及/或將較小離子替換成較大離子。在一些態樣及/或實施例中，該方法涉及藉由置放於310℃至490℃之間溫度的NaNO3浴中長達20小時使貝塔鋰輝石玻璃陶瓷或可結晶玻璃進行離子交換(尤其是將鋰替換成鈉的離子交換)。在一些實施例中，上述條件下的離子交換可實現至少80微米之DOL。在其他 態樣及/或實施例中，可使用混合鉀/鈉浴在類似溫度及時間下完成離子交換；例如，類似溫度下80/20 KNO3/NaNO3浴或者60/40 KNO3/NaNO3。在其他態樣及/或實施例中，涵蓋兩步離子交換製程，其中第一步驟在含Li鹽浴中完成；例如，熔鹽浴可為由Li2SO4作為主成分組成之高溫硫酸鹽鹽浴，但用足夠濃度之Na2SO4、K2SO4或Cs2SO4稀釋以產生熔浴。執行此離子交換步驟以用含Li鹽浴中所發現的較小鋰離子替換貝塔鋰輝石玻璃陶瓷中的較大鈉離子。執行第二離子交換步驟以將Na交換至貝塔鋰輝石玻璃陶瓷中，並可如上所述藉由310℃與490℃之間溫度的NaNO3浴完成。
可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之特性化
藉由熟習此項技術者已知的方法自總反射率(包括鏡面反射率)量測測定用於描述根據本揭示內容之態樣及/或實施例之貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；可離子交換貝塔鋰輝石玻璃陶瓷；及/或離子交換貝塔鋰輝石玻璃陶瓷之顏色的CIELAB顏色空間坐標(例如，CIE L*；CIE a*；及CIE b*；或CIE L*、a*及b*；或L*、a*及b*)，該等方法諸如F.W.Billmeyer,Jr.在「Current American Practice in Color Measurement」Applied Optics，第8卷，第4號，第737頁-第750頁(1969年4月)中所描述之彼等方法，該等方法以引用之方式併入本文。亦即，總反射率(包括鏡面反射率)量測 由使用量測約33mm×0.8mm厚度的樣本碟片準備光學研磨的表面組成。用於產生此類總反射率(包括鏡面反射率)量測且將結果轉化以獲得L*；a*；及b*顏色空間坐標的設備及供應包括：配備有積分球的紫外光-可見光-近紅外光(UV-VIS-NIR)分光光度計，該分光光度計諸如市售Varian Cary 5G或PerkinElmer Lambda 950 UV-VIS-NIR分光光度計，其經適當配備及配置以便賦能量測250-3300nm波長範圍內(例如，紫外光(UV：300-400nm)、可見光(Vis：400-700nm)及紅外光(IR：700-2500nm))的總反射率(包括鏡面反射率)；以及用於顏色量測的分析軟體(GRAMS光譜分析軟體套裝之UV/VIS/NIR應用程式包，可購自Thermo Scientific West Palm Beach，FL，美國)，該軟體經耦接至UV-VIS-NIR分光光度計，進而將量測結果轉化成基於F02照明體及10度標準觀察者的CIELAB顏色空間坐標(L*；a*；及b*)。
藉由熟習此項技術者已知的X射線繞射(X-ray diffraction；XRD)分析技術測定根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷的晶相集合體之晶相同一性及/或晶相之晶體大小，該等技術使用諸如由荷蘭飛 利浦製造的PW1830(Cu Kα輻射)繞射儀型號的市售設備。通常針對自5度至80度的2θ獲取光譜。
藉由熟習此項技術者已知的分析技術測定經量測用於特性化根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之表面的元素分佈，該等技術諸如電子微探針(electron microprobe；EMP)；x射線光致發光光譜分析(x-ray photoluminescence spectroscopy；XPS)；次級離子質譜分析(secondary ion mass spectroscopy；SIMS)等。
可藉由Sglavo,V.M.等人在「Procedure for residual stress profile determination by curvature measurements」(Mechanics of Materials 37：887-898(2005))中所描述之方法決定表面層中的壓縮應力(σs)，該文獻以引用之方式全部併入本文。
可藉由熟習此項技術者已知的方法特性化根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之撓曲強度，該等方法諸如在ASTM C1499(及其後來成果，全部以引用之方式併入本文)「Determination of Monotonic Equibiaxial Flexural Strength Advanced Ceramics」(ASTM International，Conshohocken，PA，美國)中所描述之彼等方法。
可藉由熟習此項技術者已知的方法特性化根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之楊氏模數、剪力模數及帕松比，該等方法諸如在ASTM C1259(及其後來成果，全部以引用之方式併入本文)「Standard Test Method for Dynamic Young's Modulus,Shear Modulus,and Poisson's Ratio for Advanced Ceramics by Impulse Excitation of Vibration」(ASTM International，Conshohocken，PA，美國)中所描述之彼等方法。
可藉由熟習此項技術者已知的方法特性化根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之羅普硬度，該等方法諸如在ASTM C1326(及其後來成果，全部以引用之方式併入本文)「Standard Test Methods for Vickers Indentation Hardness of Advanced Ceramics」(ASTM International，Conshohocken，PA，美國)中所描述之彼等方法。
可藉由熟習此項技術者已知的方法特性化根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之維氏硬度，該等方法諸如在ASTM C1327(及其後來成果，全部以引用之方式併入本文)「Standard Test Methods for Vickers Indentation Hardness of Advanced Ceramics」(ASTM International，Conshohocken，PA，美國)中所描述之彼等方法。
可藉由熟習此項技術者已知的方法特性化根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之維氏壓痕裂紋閾值量測，該等方法諸如ASTM C1327中所描述的藉由以0.2mm/分鐘之速率將壓痕負載施加至維氏壓頭且施加至待測試之材料之表面及隨後移除該壓痕負載。使最大壓痕負載保持10秒。在壓痕負載下界定壓痕裂紋閾值，在該壓痕負載下10個壓痕中的50%展現出源自壓痕按壓角的任何數量之徑向/中間裂紋。增加最大負載，直至達到給定玻璃或玻璃陶瓷組成的閾值。在50%之相對濕度的室溫下執行所有壓痕量測。
可藉由熟習此項技術者已知的方法特性化根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion；CTE)，該等方法諸如在ASTM E228(及其後來成果，全部以引用之方式併入本文)「Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solid Materials with a Push-Rod Dilatometer」(ASTM International，Conshohocken，PA，美國)中所描述之彼等。
可藉由熟習此項技術者已知的方法特性化根據本揭示內容之態樣及/或實施例之可結晶玻璃、玻璃陶瓷、 可離子交換玻璃陶瓷及/或離子交換玻璃陶瓷之斷裂韌性(K1C)，該等方法諸如在ASTM C1421(及其後來成果，全部以引用之方式併入本文)「Standard Test Methods for Determination of Fracture Toughness of Advanced Ceramics at Ambient Temperature」(ASTM International，Conshohocken，PA，美國)中所描述之彼等方法，及/或使用山形缺口短棒(chevron notched short bar；CNSB)樣本及/或實質上根據ASTM E1304 C1421(及其後來成果，全部以引用之方式併入本文)「Standard Test Method for Plane-Strain(Chevron-Notch)Fracture Toughness of Metallic Materials」(ASTM International，Conshohocken，PA，美國)之方法。
實例
以下實例說明本揭示內容之優勢及特徵，且決不意欲限制本揭示內容。
由於個別組分之和總計為100或非常接近於100，出於所有實踐目的所報告的值可被視為表示莫耳%。實際可結晶玻璃批料成分可包含氧化物或其他化合物之任何材料，當該等材料與其他批料成分一起熔化時將以適當比例轉換成所欲氧化物。
在以下實例中使用表I中所列出之可結晶玻璃。Fe2O3的量在組成1-12間變化，以展示Fe2O3對顏色坐標之效應。組成1亦具有2莫耳%以下之B2O3濃度且充當對照以便與具有2莫耳%或更大之B2O3的組成進行比較。
實例1：藉由將組成加熱至780℃之成核溫度及將組成維持在該成核溫度長達2小時來形成可結晶玻璃組成1-12。隨後，以5℃/分鐘之速率將組成1-12中之各者加熱至900℃、925℃或者950℃之任一者之結晶溫度，並保持在該結晶溫度長達4小時及允許冷卻。如上文所描述，針對每一組成，使用分光光度計且具有鏡面反射率的反射光譜量測來測定針對10°之觀察者角度及CIE照明體F02的CIELAB顏色坐標L*、a*及b*。
L*、a*及b*值指示可基於Fe2O3調諧之玻璃陶瓷組成之顏色。如第1圖所示，每一組成之a*對b*之曲線圖圖示b*隨Fe2O3濃度增加而增加。此外，如第2圖所 示，結晶溫度對L*之曲線圖圖示L*大體上隨結晶溫度而增加且L*隨Fe2O3濃度減小而減小。第3圖進一步圖示基於增加Fe2O3濃度之玻璃陶瓷之可調諧性。第3圖圖示a*根據以下關係隨Fe2O3濃度而變化：a*=17.726[莫耳濃度Fe2O3]2+4.847[莫耳濃度Fe2O3]-0.2822；b*根據以下關係隨Fe2O3濃度而變化：b*=6.5303[莫耳濃度Fe2O3]-0.8066；且L*根據以下關係隨Fe2O3濃度而變化：L*=-19.135[莫耳濃度Fe2O3]+94.435。a*的關係具有0.9121之R2擬合值；b*的關係具有0.9813之R2擬合值；且L*的關係具有0.8202之R2擬合值。
實例2：以5℃/分鐘之速率將組成1及7自780℃之成核溫度加熱至850℃、900℃、950℃、1000℃及1050℃之結晶溫度。將組成保持在結晶溫度長達4小時。如上文所描述，針對每一組成，使用分光光度計且具有鏡面反射率的反射光譜量測來測定針對10°之觀察者角度及CIE照明體F02的CIELAB顏色坐標L*、a*及b*。第4圖圖示對於組成1及組成7的a*對b*隨結晶溫度增加而變化之曲線圖。組成1的a*對b*之函數為b*=6.6579a*+1.7341，其中該組成具有小於2莫耳%之B2O3。此關係具有0.9934之R2擬合值。組成7的a*對b*之函數為b*=20.65a*+7.1318。此關係具有0.994之R2擬合值。第5圖圖示對於組成1及組成7的b*對L*隨結晶溫度增加而變化之曲線圖。組成1的b*對L*之函數為L*=0.991b*+93.669，其中該組成具有小於2莫耳%之 B2O3及0莫耳%之Fe2O3。此關係具有0.9722之R2擬合值。組成7的b*對L*之函數為L*=1.0389b*+9.749。此關係具有0.9742之R2擬合值。
實例3：在780℃之成核溫度下將組成1-7加熱2小時，以5℃/分鐘之速率將該等組成加熱至950℃之結晶溫度，且隨後在950℃下加熱四小時。在波長範圍內量測每一組成之總反射率。第6圖係反射率(%)對波長(nm)之曲線圖。此曲線圖圖示反射率隨Fe2O3增加而減小。儘管存在吸收，但藉由在自900℃至950℃溫度範圍內使示例性組成結晶所獲得之玻璃陶瓷具有90以上的顏色坐標L*，該顏色坐標L*指示該等玻璃陶瓷之亮度。
實例4：在780℃之成核溫度下將組成2-7加熱2小時，以5℃/分鐘之速率將該等組成加熱至950℃之結晶溫度，且隨後在950℃下加熱四小時。如上文所描述，針對每一組成，使用分光光度計且具有鏡面反射率的反射光譜量測來測定針對10°之觀察者角度及CIE照明體F02的CIELAB顏色坐標L*、a*及b*。隨後，樣本在430℃之NaNO3浴中進行離子交換長達一小時。在離子交換製程後，針對每一樣本再次測定針對10°之觀察者角度及CIE照明體F02的CIELAB顏色坐標L*、a*及b*。第7圖圖示每一樣本離子交換製程之前及之後的L*、a*及b*中的變化。L*、a*及b*中的小變化指示，將Li2O+Na2O+K2O+MgO+ZnO之莫耳總量與Al2O3之 莫耳量之比率保持在約1至約1.5之範圍內，在離子交換之前及之後維持穩定顏色。
可對本文所描述之材料、方法及製品做出各種修改及變化。本文所描述之材料、方法及製品之其他態樣將自考慮本說明書及實踐本文所揭示之材料、方法及製品而顯而易見。意欲將本說明書及實例視為示例性。

Claims (12)

  1. 一種玻璃陶瓷製品，包含：一組成，該組成以莫耳%單位計包含：i)自約62至約75之一範圍內之SiO2，ii)自約10至約18之一範圍內之Al2O3，iii)自約5至約14之一範圍內之Li2O，iv)自約2至約12之一範圍內之B2O3，v)自約0.4至約2之一範圍內之Fe2O3，以及vi)自約2至約5之一範圍內之TiO2，以及其中貝塔鋰輝石為主晶相。
  2. 如請求項1所述之玻璃陶瓷製品，其中該玻璃陶瓷製品包含一顏色，該顏色以針對10°之一觀察者角度及一CIE照明體F02使用一分光光度計且包括鏡面反射率的反射光譜量測測定的CIELAB顏色空間坐標來呈現，該等坐標包含：a)自約-0.5至約0.5之一範圍內之CIE a*；b)自約-2.5至約2之一範圍內之CIE b*；以及c)自約90至約93之一範圍內之CIE L*。
  3. 如請求項1所述之玻璃陶瓷製品，其中該組成包含自約0.5莫耳%至約2莫耳%之一範圍內之Fe2O3。
  4. 如請求項1所述之玻璃陶瓷製品，進一步包含：自0至約8之一範圍內之MgO，自0至約4之一範圍內之ZnO，自0至約5之一範圍內之Na2O，自0至約4之一範圍內之K2O，以及其中[Li2O+Na2O+K2O+MgO+ZnO]之莫耳總量/[Al2O3]之莫耳量的一比率在自約0.8至約1.5之一範圍內。
  5. 一種製作一玻璃陶瓷的製程，該製程包含以下步驟：a)以自約1℃/分鐘至約10℃/分鐘之一範圍內之一速率將一可結晶玻璃加熱至自約700℃至810℃之一範圍內的一成核溫度，其中該可結晶玻璃以莫耳%單位計包含：i)自約62至約75之一範圍內之SiO2，ii)自約10至約18之一範圍內之Al2O3，iii)自約5至約14之一範圍內之Li2O，iv)自約2至約12之一範圍內之B2O3，以及v)自約0.4至約2之一範圍內之Fe2O3，以及b)將該可結晶玻璃維持在該成核溫度以產生一成核可結晶玻璃；c)以自約1℃/分鐘至約10℃/分鐘之一範圍內之一速率將該成核可結晶玻璃加熱至自約850℃至約1200℃之一範圍內的一結晶溫度；以及d)將該成核可結晶玻璃維持在該結晶溫度以產生具有貝塔鋰輝石作為一主晶相的一玻璃陶瓷。
  6. 如請求項5所述之製程，其中該玻璃陶瓷製品包含一顏色，該顏色以針對10°之一觀察者角度及一CIE照明體F02使用一分光光度計且包括鏡面反射率的反射光譜量測測定的CIELAB顏色空間坐標來呈現，該等坐標包含：a)自約-0.5至約0.5之一範圍內之CIE a*；b)自約-2.5至約2之一範圍內之CIE b*；以及c)自約90至約93之一範圍內之CIE L*。
  7. 如請求項6所述之製程，其中存在隨結晶溫度之一函數變化的a*與b*之間的一關聯，其中a*對b*之一曲線圖具有約8與約22之間的△b*/△a*之一斜率。
  8. 如請求項7所述之製程，其中存在隨結晶溫度之一函數變化的b*與L*之間的一關聯，其中b*對L*之一曲線圖具有約0.75與約1.25之間的△L*/△b*之一斜率。
  9. 一種製作一玻璃陶瓷的製程，該製程包含以下步驟：a)以自約1℃/分鐘至約10℃/分鐘之一範圍內之一速率將一成核可結晶玻璃加熱至自約850℃至1200℃之一範圍內的一結晶溫度，其中該成核可結晶玻璃以莫耳%單位計包含：i)自約62至約75之一範圍內之SiO2，ii)自約10至約18之一範圍內之Al2O3，iii)自約5至約14之一範圍內之Li2O，iv)自約2至約12之一範圍內之B2O3，v)自約0.4至約2之一範圍內之Fe2O3，以及b)選擇該結晶溫度來基於a*與b*之間的一關聯調諧該顏色，其中：i)以針對10°之一觀察者角度及一CIE照明體F02使用一分光光度計且包括鏡面反射率的反射光譜量測測定的CIELAB顏色空間坐標來呈現該顏色，該等坐標包含：(1)自約-0.5至約0.5之一範圍內之CIE a*；(2)自約-2.5至約2之一範圍內之CIE b*；以及(3)自約90至約93之一範圍內之CIE L*；以及ii)基於隨結晶溫度之一函數變化的a*與b*之間的該關聯，a*對b*之一曲線圖具有約8與約22之間的△b*/△a*之一斜率；以及c)將該成核可結晶玻璃維持在該結晶溫度以產生具有貝塔鋰輝石作為一主晶相的一玻璃陶瓷。
  10. 如請求項9所述之製程，其中基於隨結晶溫度之一函數變化的b*與L*之間的一關聯，其中b*對L*之一曲線圖具有約0.75與約1.25之間的△L*/△b*之一斜率。
  11. 一種玻璃陶瓷製品，包含：a)一組成，該組成以莫耳%單位計包含：i)自約62至約75之一範圍內之SiO2，ii)自約10至約18之一範圍內之Al2O3，iii)自約5至約14之一範圍內之Li2O，iv)自約2至約12之一範圍內之B2O3，v)自約0.01至約2之一範圍內之一金屬氧化物，該金屬氧化物選自由CoO、Cr2O3、Cu2O、MnO2、Sb2O3、In2O3、Bi2O3、NiO、V2O3、Ta2O5及上述之組合組成的群組，其中貝塔鋰輝石為該主晶相，以及vi)自約2至約5之一範圍內之TiO2。
  12. 如請求項11所述之玻璃陶瓷製品，進一步包含：自0至約8之一範圍內之MgO，自0至約4之一範圍內之ZnO，自0至約5之一範圍內之Na2O，自0至約4之一範圍內之K2O，以及其中[Li2O+Na2O+K2O+MgO+ZnO]之莫耳總量/[Al2O3]之莫耳量的一比率在自約0.8至約1.5之一範圍內。
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