一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物及其制备方法技术

本发明专利技术属于玻璃材料技术领域，具体涉及一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物及其制备方法。所述二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，其组成以摩尔百分比计包括：53‑65%的SiO2，16‑22%的Al2O3，0.01‑0.5%的B2O3，4‑8%的Li2O，8‑14%的Na2O，0.01‑1%的K2O，0.01‑3%的MgO，0‑1%ZnO，0‑4%的P2O5，0‑0.1%的SnO2；本发明专利技术通过优化玻璃配方，在玻璃中进入锂和磷组成，通过二步法化学强化，是玻璃具有较高的表面压应力和较深的离子交换层，从而提高玻璃的在表面硬度、抗刮伤性以及抗摔落性能。

【技术实现步骤摘要】
一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物及其制备方法
本专利技术属于玻璃材料
，具体涉及一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物及其制备方法。
技术介绍
随着触摸屏和显示器市场的发展和需求，带动了触摸屏和显示器盖板玻璃迅速发展和需求。伴随人们对智能手机等移动终端装置外观以及性能的追求，盖板玻璃从传统的2D外形，逐步向2.5D、3D外形过渡。这也对作为保护屏幕用的盖板玻璃性能提出了更为苛刻的要求。但是，普通的硅酸盐玻璃强度还是不能满足日常使用需求，如手机的多次跌落以及与尖锐物体的碰撞等，都会造成屏幕的破损。要求盖板玻璃需要具有高的抗断裂、抗弯曲以及抗摔落性能，对于厚度小于1mm的盖板玻璃，一般需要通过化学钢化处理使玻璃具有表面压应力（CompressiveStress,简称CS）和一定深度的离子交换层（DepthofLayer,简称DOL），同时具有较高的CS和DOL玻璃可以有效的抑制玻璃表面缺陷扩展，从而提高玻璃表面硬度、抗刮伤性以及抗摔落性能。而本专利技术研究获得通过二步法化学强化实现高的CS和DOL，比如可以通过Li离子与Na离子交换达到较高的DOL，通过Na离子与K离子交换达到较高的CS来实现，因此，可以在铝硅酸盐玻璃中加入Li离子形成锂铝硅酸盐玻璃通过二步离子化强工艺来实现高CS和DOL的要求。专利CN102099380B提供一种强化玻璃，所述强化玻璃含有0～3wt%Li2O,并指出Li2O是离子交换成分。但此专利并未提出Li2O用于二步化学强化，且未提及Li2O在化学强化过程中的作用和效果。当玻璃在含NaNO3熔盐中进行Li离子与Na离子交换时，玻璃组成中必须具有足够高的Li2O成分，以便有足够的Li离子和Na离子进行交换，能快速获得具有高DOL值的玻璃。如果玻璃中Li2O含量过低，Li离子和Na离子交换能力不足，且含NaNO3熔盐中Li离子一旦过高，Li离子和Na离子交换几乎停止交换，因而难以快速获得高DOL值强化玻璃。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，以来提高玻璃的表面硬度、抗刮伤性以及抗摔落性能。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：所述二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，其组成以摩尔百分比计包括：53-65%的SiO2，16-22%的Al2O3，0.01-0.5%的B2O3，4-8%的Li2O，8-14%的Na2O，0.01-1%的K2O，0.01-3%的MgO，0-1%ZnO，0-4%的P2O5，0-0.1%的SnO2；其中，组成以摩尔比计，0.3＜Li2O/Na2O＜0.9，以及0.25＜Al2O3/SiO2＜0.35。所述二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物的制备方法步骤包括：（1）依照各物质的质量比称量原料组成，原料称重混合后，以获得均匀的配料；（2）然后将配料从塑料瓶中转移至约800ml铂坩埚中，将铂坩埚置入硅钼棒高温炉炉内，逐渐升温至1650℃，持温4-6h，通过搅拌加速玻璃气泡排出和使玻璃均化消除；（3）在熔融后，将熔融液倒入至耐热不锈钢模具进行成型，然后取出玻璃块并移入箱式退火炉内进行600℃2小时的热处理，随后以小于1℃/分的速率降至550℃，之后自然冷却至室温，得到玻璃片。（4）将玻璃切割成薄片后抛光，进行二步法化学强化，其过程为：先将玻璃薄片进250℃～300℃预热处理后，再玻璃制品浸泡在380℃～390℃NaNO3和KNO3的混合熔盐中，浸泡时间0.5-4h，最后将玻璃薄片取出浸泡在400～450℃KNO3熔盐中，浸泡时间为0.4-4h，即可获得二步法化学强化碱铝硅酸玻璃。SiO2是形成玻璃的网格的成份，其含摩尔含量为53-65mol%，SiO2含量的提高有助于玻璃轻量化，化学稳定性改进，玻璃的机械性能将得到改善。但随着SiO2含量的增加高温粘度将升高，将不利于生产。玻璃中过低的SiO2浓度会导致玻璃的耐化性能和表面机械性能趋于劣化，所以SiO2含量定为53-65mol%，更优为58-64mol%。Al2O3对离子交换起加速作用，同时可以提高玻璃的机械性能。这是由于在碱铝硅酸盐玻璃中，碱金属引入的非桥氧与Al3+形成铝氧四面体[AlO4]，该铝氧四面体较硅氧四面体[SiO4]体积更大，在玻璃结构中会产生更大的空隙，而有利于离子交换的进行，最终得到化学钢化效果更佳的产品。但Al2O3属于极难熔氧化物，其能快速提高玻璃粘度，致使玻璃澄清均化难度加大，玻璃成型困难。玻璃中加入Li2O虽然可以有效地减低玻璃粘度，可以增加Al2O3的含量。因此，玻璃中Al2O3含量定为16-22mol%，更优为19-21%。Li2O是实现二步法化学强化的交换离子最关键组成。玻璃组成中必须具有足够高的Li2O成分，确保玻璃在含NaNO3熔盐中进行Li离子与Na离子交换时，有足够的Li离子和Na离子进行交换，能快速获得具有高DOL值的玻璃。如果玻璃中Li2O含量过低，Li离子和Na离子交换能力不足，且含NaNO3熔盐中Li离子一旦过高，Li离子和Na离子交换几乎停止交换，因而难以火大高DOL值强化玻璃。本专利技术通过大量实验发现，当玻璃中Li2O浓度高于4mol%时，玻璃中Li离子和Na离子交换效果明显提高，能快速获得具有高DOL值的强化玻璃；同时得Li2O可使玻璃粘度特性快速下降，尤其是降低高温粘度明显，有利于玻璃熔化与澄清，为玻璃中高浓度的Al2O3浓度提供可能性。但是高的Li2O减低玻璃的稳定性，使玻璃容易析晶失透，玻璃成型困难，因此，本专利技术中Li2O浓度低于8mol%，优选4-8mol%。Na2O是通过离子交换形成表面压应力层的主要成分，通过Na离子与K离子交换在玻璃表面达到较高的表面压应力和压应力层；同时作为网络外体，其在玻璃结构中起到断网的作用，有助于玻璃熔化；但过多的Na2O会引起玻璃一系列性能如耐化学性、力学性能等变差，本专利技术的Na2O的量控制在8-14mol%，优选为在10-12mol%.K2O属于玻璃网络外体成分，降低玻璃粘度作用；可以与Na2O产生“混碱效应”，对改善玻璃的物化性能其一定作用，但K2O含量过高，玻璃化强过程中应力松弛量明显增加。本专利技术K2O含量为0.01-1mol%。MgO、ZnO同属二价阳离子氧化物，且均是网络外体，引入一定量均能促进玻璃的熔化。MgO引入过多可导致玻璃疏松，密度下降，硬度降低。MgO还能降低结晶倾向和结晶速度，提高玻璃的化学稳定性。但其含量不应过多，否则会造成玻璃容易析晶和膨胀系数过高。本专利技术MgO的含量为0.01-3mol%，优选为1-3%。ZnO是提高离子交换，提高表面压应力值的成份，同时也是降低低温粘性和提高玻璃耐碱性的成份。如果ZnO含量过多，容易造成玻璃分相、降低耐失透性、提高密度，因此本专利技术中ZnO为含量0-1mol%。本专利技术引入一定量的B2O3主要是降低高温粘度，而且还可以提高玻璃的机械性能，本专利技术引入0.01-0.5mol%的B2O3。本专利技术中引入一定量的P2O5，将会加速玻璃离子交换速度，另外还可以降低玻璃的熔化温度。但是P2O5其以[PO4]四面体相互连成网络，但P2O5形成的网络结构属于层状，且层间由范德华力相互连接，因此，玻璃中P2O5具有粘度小，化学稳定性差和热膨胀系数大作用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，其特征在于：其组成以摩尔百分比计包括，53‑65%的SiO2，16‑22%的Al2O3，0.01‑0.5%的B2O3，4‑8%的Li2O，8‑14%的Na2O，0.01‑1%的K2O，0.01‑3%的MgO，0‑1%ZnO，0‑4%的P2O5，0‑0.1%的SnO2。

【技术特征摘要】
1.一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，其特征在于：其组成以摩尔百分比计包括，53-65%的SiO2，16-22%的Al2O3，0.01-0.5%的B2O3，4-8%的Li2O，8-14%的Na2O，0.01-1%的K2O，0.01-3%的MgO，0-1%ZnO，0-4%的P2O5，0-0.1%的SnO2。2.根据权利要求1所述的一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，其特征在于：其组成以摩尔比计，0.3＜Li2O/Na2O＜0.9，以及0.25＜Al2O3/SiO2＜0.35。3.根据权利要求1所述的一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，其特征在于：其组成以摩尔百分比计包括，58-64%的SiO2，19-21%的Al2O3，0.01-0.5%的B2O3，4-8%的Li2O，10-12%的Na2O，0.01-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁新辉，陈招娣，杨成钢，洪立昕，
申请(专利权)人：科立视材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35