一种易于离子交换的化学强化玻璃制造技术

本发明专利技术提供了一种易于离子交换的化学强化玻璃，以质量百分比（wt%）表示，该玻璃组成包括：SiO245~65%、Al2O3+Ga2O317~35%、Li2O30~10%、Na2O 5~17%、K2O 0~8%、MgO 0~8%、Nd2O30.01~4%、Te2O30.01~10%。本发明专利技术的玻璃具有较快的离子交换速率；具有较小的热收缩和翘曲；具有较低的熔化温度；经化学强化处理后，压缩应力层深度在50um以上，且深度50um时玻璃表面形成的压缩应力在900MPa以上，可有效地防止显示产品玻璃表面的冲击和划伤损害，可作为显示产品的屏幕表面保护用玻璃材料、光伏太阳能电池盖板玻璃、汽车及飞机防护窗口，以及其他需要高强度平面或非平面玻璃的应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种易于离子交换的化学强化玻璃
本专利技术涉及平板显示领域及其他需要高强度平面或非平面玻璃的领域，尤其涉及一种易于离子交换的化学强化玻璃。
技术介绍
最近几年触摸屏产品市场发展迅速，目前的主流产品是电容式触摸屏，其主要部件是表面起保护作用的玻璃基板。随着显示技术及触控技术的发展，市场对于玻璃基板的要求日益提高。由于触摸屏应用越来越广泛，大中小尺寸的设备几乎都具有触摸屏，作为触摸屏最主要性能是要具备优秀的机械性能，抗刮和抗划伤能力要强，同时作为移动式显示设备的保护玻璃，需要有较高的抗冲击强度。随着消费需求的演进，触控面板已经从小尺寸的手机、平板电脑逐步扩展到触控笔记本电脑、触控桌面式一体电脑、触摸演示面板等中大尺寸显示设备。随着尺寸变大，盖板玻璃进行化学钢化之后的翘曲变形和热收缩问题逐渐提上日程。玻璃在低于应变点温度以下的某个温度加热处理过程中，内部质点具有一定的结构调整能力，结果会造成玻璃基板形状和尺寸发生微小的变化，此即玻璃的“热收缩”。影响玻璃板热收缩的主要因素有：1.玻璃板在处理温度下具有较高的粘度（即较高的应变点）；2.基板成型过程中经过了良好的退火；3.化学强化工艺温度及处理时间。玻璃板在热处理过程中的翘曲度增大原因与热收缩类似，因此对化学强化玻璃而言，具有较高的应变点和较快的离子交换速率是提高大尺寸玻璃板化学强化过程尺寸稳定性的有效手段。目前市面上主流的保护盖板玻璃采用普通钠钙硅酸盐体系或高碱高铝硅酸盐体系进行化学钢化达到增强的目的，较新型的采用无色蓝宝石切片作为保护盖板，然而上述体系均存在较大缺陷。普通钠钙玻璃进行离子交换后，无法达到足够的应力层深度和较高的表面压缩应力，抵抗机械变形的能力（硬度）较弱，抗刮擦能力较差；高碱高铝硅酸盐玻璃引入高含量Al2O3之后加速了离子交换的进程和深度，抗刮擦能力得以提高，但是高含量Al2O3的引入快速增加了玻璃的熔化难度，粘度为200泊时的温度往往超过1500℃，甚至1600℃，甚至1650℃以及更高，工业制造难度较大。另一方面，目前的高碱高铝盖板玻璃化学强化时间较长，往往大于3小时，甚至5小时，甚至更长。化学强化温度往往高于400℃，在此长时间高温处理过程中，表层离子进行交换的同时，内部质点也在进行结构调整，随着钢化玻璃基板尺寸变大，化学钢化过程中玻璃基板的翘曲问题变得愈加严重，特别的，针对OGS应用的化学强化玻璃基板的热收缩也会对后续制程造成较大影响；蓝宝石是硬度仅次于钻石的物质，其莫氏硬度为9，抗刮擦能力优于强化玻璃，但是脆性过大，遇到冲击容易破碎，在手表等小尺寸窗口应用方面尚可，较大尺寸薄板的抗冲击强度差的问题尤为突出。
技术实现思路
本专利技术提出了一种易于离子交换的化学强化玻璃，钢化效果好、具有较快的离子交换速率；具有较小的热收缩和翘曲、具有较低熔化温度的玻璃配方，适用于平板显示领域及其他需要高强度平面或非平面玻璃的领域。实现本专利技术的技术方案是：一种易于离子交换的化学强化玻璃，包括以下重量百分比的组分：SiO245~65%、Al2O3+Ga2O317~35%、Li2O30~10%、Na2O5~17%、K2O0~8%、MgO0~8%、Nd2O30.01~4%、Te2O30.01~10%。所述Ga2O3的质量百分比为0.01~20%，Al2O3的质量百分比为6.5~34.7%。所述Al2O3和Ga2O3满足以下关系：0.01＜(Ga2O3)/(Al2O3+Ga2O3)≤0.6。还包括不超过20%的B2O3和/或P2O5，且P2O5/(P2O5+B2O3)≥0.4。优选的，包括以下重量百分比的组分：SiO245~65%、Al2O3+Ga2O318~32%、Li2O32~9%、Na2O8~16%、K2O2.5~6%、MgO3.5~7%、Nd2O31~2.5%、Te2O30.1~7%。上述组分中可以含有0.01~0.2wt%氧化锡或0.01~0.4wt%硫酸钠作为澄清剂。同时玻璃组分中不含砷、锑、铅等有毒有害物质。将各组分混合后熔融，搅拌得到均质玻璃液，经过降温冷凝处理，退火后经过切割、研磨、抛光处理得到所需尺寸的玻璃板。将得到的玻璃板置于硝酸锂熔融液、硝酸钠熔融液和硝酸钾熔融液中的至少一种中进行化学强化处理，化学强化处理的温度为350-480℃，处理的时间至少为0.1h。所述玻璃板的弹性模量高于79GPa；密度低于2.6g/cm3；热膨胀系数低于95×10~7/℃；应变点温度高于630℃；熔化温度低于1500℃。所述化学强化后玻璃压缩应力层深度在50um以上，且离子交换深度50um时玻璃表面形成的压缩应力在900MPa以上，强化效率系数Q≥50um/小时。本专利技术引入Ga2O3和Nd2O3，Ga2O3和Al2O3同为第三主族元素，在玻璃中配位数主要为四和六，不同的配位数对玻璃结构和离子交换效率有着不同的影响。Al2O3具有较强的争夺游离氧的能力，优先以四配位形成铝氧四面体[AlO4]，修补断网，与硅氧四面体形成统一网络，加强玻璃结构，由于铝氧四面体体积较硅氧四面体大，因此铝氧四面体的存在会导致玻璃结构空隙变大，有利于碱金属离子的活动，因此又有加速离子交换进程的作用，但是同时引起熔化温度过快上升。当Ga2O3以四配位出现时，作用与Al2O3极为相似，由于镓氧四面体体积更大，加速碱金属离子活动的能力更强，因此其在玻璃结构中可同时起到修补网络闭合程度和加速离子交换的作用，在化学强化过程中可大幅加速离子交换的进程，同时高温粘度上升速度明显小于Al2O3。但是由于Ga3+具有较大的离子半径和较小的电场强度，随着Ga2O3含量增加，半径比效应使Ga3+处于四面体的稳定性大幅下降，高配位的Ga2O3将会使网络断裂，降低玻璃致密程度，导致低温粘度减小（参见图1和图2），不利于更大尺寸玻璃基板化学强化过程中的尺寸稳定性，倾向于具有更大的翘曲和热收缩。因此Al2O3和Ga2O3的添加合量及比例受到了特殊的限定。钕是稀土元素，Nd3+离子半径较大（1.27Å），配位数较高。Nd2O3在玻璃中的结构状态是单一的，无法成为网络形成体，往往位于结构网络的空隙，由于其配位数高，因此含Nd2O3的玻璃结构比较紧密，由此带来两大好处。首先是具有降低熔化温度同时提高应变点的有益效果，使得玻璃易于熔制，而且具有较高的热稳定性；其次有利于大幅提高化学强化过程中的离子交换速率，为减少玻璃翘曲和热收缩带来帮助。Te2O3为助熔剂和防止玻璃出现析晶的成分。对于不可避免引入的含铁氧化物（特别是低价态的铁氧化物）玻璃，Te2O3可减少玻璃在紫外可见光谱区域的吸收率，提高玻璃的透过率；另一方面，有利于大幅提高玻璃的机械强度、热稳定性和化学强化过程中的离子交换速率，为减少玻璃翘曲和热收缩带来帮助。优选地，Te2O3的优选范围是0.01~10wt%。进一步优选地，Te2O3的优选范围是0.01~7wt%。B2O3、P2O5作为构成玻璃的基质，能单独生成玻璃，其加入可增强玻璃的化学稳定性、机械性能和离子交换进程，同时B2O3、P2O5也是良好的助溶剂，能大幅降低玻璃熔化温度，对于玻璃化过程也有助益。尤其，在所述玻璃中，以重量百分比计，B2O3和P2O5的总含量为优选不超过20wt%时，能够更好地发挥B2O本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种易于离子交换的化学强化玻璃，其特征在于包括以下重量百分比的组分：SiO2 45~65%、Al2O3+Ga2O3 17~35%、Li2O3 0~10%、Na2O 5~17%、K2O 0~8%、MgO 0~8%、Nd2O3 0.01~4%、Te2O3 0.01~10%。

【技术特征摘要】
1.一种易于离子交换的化学强化玻璃，其特征在于包括以下重量百分比的组分：SiO245~65%、Al2O3+Ga2O317~35%、Li2O30~10%、Na2O5~17%、K2O0~8%、MgO0~8%、Nd2O30.01~4%、Te2O30.01~10%。2.根据权利要求1所述的易于离子交换的化学强化玻璃，其特征在于：所述Ga2O3的质量百分比为0.01~20%，所述Al2O3的质量百分比为6.5~34.7%。3.根据权利要求1所述的易于离子交换的化学强化玻璃，其特征在于：所述Al2O3和Ga2O3满足以下关系：0.01＜(Ga2O3)/(Al2O3+Ga2O3)≤0.6。4.根据权利要求1所述的易于离子交换的化学强化玻璃，其特征在于：还包括不超过20%的B2O3和/或P2O5，且P2O5/(P2O5+B2O3)≥0.4。5.根据权利要求1所述的易于离子交换的化学强化玻璃，其特征在于：包括以下重量百分比的组分：SiO245~65%、Al2O3+Ga2O318~32%、Li2O32~9%、Na2O...

【专利技术属性】
技术研发人员：何豪，李顺方，王佳，郭青雅，梁二军，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41