强化玻璃的二步法制造技术

本发明专利技术涉及一种强化碱性铝硼硅酸盐玻璃的方法。通过用较大金属阳离子交换玻璃中存在的较小金属阳离子，形成从玻璃表面延伸到层深度的压缩层。在第二步骤中，玻璃中的金属阳离子被较大金属阳离子交换至玻璃中的第二深度，该第二深度小于所述层深度，并增强了压缩层的压缩应力。可以通过二步离子交换法形成压缩层并用较大阳离子代替阳离子。还提供了碱性铝硼硅酸盐玻璃，其具有压缩层，以及至少3000gf的裂缝压痕阈值。

【技术实现步骤摘要】
强化玻璃的二步法分案申请说明本申请系申请日为2011年08月26日、国际申请号为PCT/US2011/049329、进入中国国家阶段后的国家申请号为201180041099.4、题为“强化玻璃的二步法”的专利技术专利申请的分案申请。相关申请交叉参考本申请根据35U.S.C.§119，要求2010年8月26日提交的美国临时申请系列第61/377136号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术介绍
本专利技术涉及经过强化的碱性铝硼硅酸盐玻璃。更具体地，本专利技术涉及此类玻璃的强化方法。更具体来说，本专利技术涉及通过离子交换对此类玻璃进行强化。离子交换过程可以通过在玻璃的表面区域产生压缩应力层来强化含碱玻璃。通常，含锂铝硅酸盐玻璃比含钠玻璃更易于进行离子交换，并且在较低温度和较短时间内，含锂铝硅酸盐玻璃能够获得更大深度的压缩。但是，此类含锂铝硅酸盐玻璃倾向于具有较低应变点和退火点，处理需要较低温度以避免结构松弛。此外，相比于在玻璃中用钾交换钠实现的表面压缩，在玻璃中用钠交换锂导致较低表面压缩，进而形成较小表面强度。
技术实现思路
提供了一种强化碱性铝硼硅酸盐玻璃的方法。通过用较大金属阳离子交换玻璃中存在的较小金属阳离子，形成从玻璃表面延伸到层深度的压缩层。在第二步骤中，玻璃中的金属阳离子被较大金属阳离子交换至第二深度，该第二深度小于所述层深度。该第二步骤增强了压缩层的压缩应力。例如，在第一步骤中用钠阳离子交换玻璃中存在的锂阳离子至层深度，然后在第二步骤中交换玻璃中的钠阳离子和锂阳离子至第二深度。用钾阳离子交换钠阳离子和锂阳离子增强了层的压缩应力。可以通过二步离子交换法形成压缩层并用较大阳离子代替阳离子。还提供了一种碱性铝硼硅酸盐玻璃，其具有压缩层，以及至少3000gf的裂缝压痕阈值。因此，本专利技术的一个方面提供一种强化碱性铝硼硅酸盐玻璃的方法。所述方法包括以下步骤：提供包含碱金属阳离子的碱性铝硼硅酸盐玻璃；形成从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于压缩应力下；并用较大碱金属阳离子替换至少一部分的碱金属阳离子至第二深度，所述第二深度小于所述层深度，其中所述用较大碱金属阳离子替换碱金属阳离子增强了压缩应力。本专利技术的第二方面提供一种强化碱性铝硼硅酸盐玻璃的方法。所述方法包括以下步骤：提供包含锂阳离子和钠阳离子的碱性铝硼硅酸盐玻璃；用钠阳离子替换至少一部分锂阳离子以形成从玻璃表面延伸到层深度的处于压缩应力下的压缩层；并用钾阳离子替换至少一部分钠阳离子和锂阳离子至第二深度，所述第二深度小于所述层深度，其中所述压缩层在第二深度内富集钾阳离子，所述用钾阳离子替换钠阳离子和锂阳离子增强了压缩层的压缩应力。本专利技术的第三方面提供一种碱性铝硼硅酸盐玻璃。所述玻璃包含锂阳离子、钠阳离子和钾阳离子。玻璃表面具有压缩层，该压缩层从表面延伸到层深度，在第二深度内富集钾阳离子，所述第二深度小于层深度。玻璃表面在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始阈值至少为3000gf。从以下详细描述、附图和所附权利要求书能明显地看出本专利技术的上述及其他方面、优点和显著特征。附图简要说明图1是本文所述具有强化表面的玻璃板的截面示意图；图2是在强化之前和通过离子交换法进行强化之后得到的碱性铝硼硅酸盐玻璃的裂缝起始负荷图；图3a是二步离子交换法的第一步骤之后的Na2O浓度分布图；以及图3b是二步离子交换法的第二步骤之后的K2O浓度分布图。具体实施方式在以下描述中，相同的附图标记表示附图所示的若干视图中相同或相应的部分。还应理解，除非另外说明，否则，术语如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等是方便用语，不应视为限制性用语。此外，每当将一个组描述为包含一组要素中的至少一个要素和它们的组合时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式包含任何数量的这些所列要素，或者主要由它们组成，或者由它们组成。类似地，每当将一个组描述为由一组要素中的至少一个要素或它们的组合组成时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式由任何数量的这些所列要素组成。除非另外说明，否则，列举的数值范围同时包括所述范围的上限和下限。除非另外说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。从总体上参见附图，并具体参见图1，应理解举例说明是为了描述本专利技术的具体实施方式的，这些举例说明不是用来限制本专利技术的说明书或权利要求书的。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，所示的附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意性方式显示。除非另有说明，否则，本文所用术语“富集”指的是玻璃块中具体元素或者离子物质的浓度大于元素或者离子物质的平均浓度。除非另有说明，否则，本文所用术语“玻璃”指的是碱性铝硼硅酸盐玻璃。提供了强化碱性铝硼硅酸盐玻璃的方法。在一个实施方式中，所述方法包括以下步骤：提供碱性铝硼硅酸盐玻璃；起始形成从玻璃表面延伸到层深度的压缩层；并用较大碱金属阳离子替换至少一部分的碱金属阳离子至第二深度，所述第二深度小于所述层深度。所述用较大碱金属阳离子替换碱金属阳离子增强了压缩层中的压缩应力并增强了玻璃表面的抗损伤性。压缩层抑制了表面处的裂缝生成，并防止裂缝开始并延伸通过层深度。在一些实施方式中，通过使用二步离子交换法进行所述方法。在该方法的第一步骤中，提供碱性铝硼硅酸盐玻璃。在一些实施方式中，以厚度小于或等于约2mm的板形式提供玻璃。可以通过本领域已知的下拉法，例如狭缝拉制或者熔融拉制法或者本领域已知的其他方法形成所述玻璃板。在一些实施方式中，玻璃包含单价锂阳离子和钠阳离子。玻璃还可以额外地包含单价钾阳离子。玻璃中的此类碱金属阳离子通常以氧化物Li2O、Na2O和K2O存在。在一些实施方式中，所述碱性铝硼硅酸盐玻璃包含以下成分、主要由以下成分组成或由以下成分组成：50-70摩尔％SiO2、5-15摩尔％Al2O3、5-20摩尔％B2O3、2-15摩尔％Li2O、0-20摩尔％Na2O以及0-10摩尔％K2O。在一些实施方式中，玻璃还可以包含至少一种以下组分：0-10摩尔％P2O5、0-5摩尔％MgO、0-1摩尔％CeO2以及0-1摩尔％SnO2。代表性的玻璃的非限制性组成和物理性质见表1。还列出了表1中的组分通过维氏压痕计的压痕测得的裂缝起始阈值。在以下时刻测定压痕起始阈值(单位为Kgf)：1)在对玻璃进行离子交换之前(表1中的“IX前”)；2)玻璃在390℃的含60重量％KNO3和40重量％NaNO3的熔融盐浴中进行10小时的一步法离子交换(IX)之后；3)玻璃在390℃的熔融NaNO3盐浴中进行10小时的一步法离子交换之后；4)玻璃在二步离子交换法之后，所述二步离子交换法包括在390℃的熔融NaNO3盐浴中进行10小时的离子交换，之后在390℃的熔融KNO3盐浴中进行30分钟的离子交换。表1还列出了通过离子交换过程形成的压缩层的层深度(DOL)，单位为微米(μm)。表1：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碱性铝硼硅酸盐玻璃，其包含5-20摩尔％的B

【技术特征摘要】
20100826 US 61/377,1361.一种碱性铝硼硅酸盐玻璃，其包含5-20摩尔％的B2O3、2-8.3摩尔％Li2O、钠阳离子和钾阳离子，其中所述玻璃的表面具有从表面延伸到层深度的压缩层，并且在小于所述层深度的第二深度内富集钾阳离子，其中所述玻璃的表面在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始层阈值至少为6000gf，其中表面的压缩应力至少为711MPa，其中所述玻璃是厚度最高为2mm的玻璃板。


2.一种碱性铝硼硅酸盐玻璃，其包含50-70摩尔％SiO2、5-15摩尔％Al2O3、6.2-20摩尔％B2O3、2-15摩尔％Li2O、0-20摩尔％Na2O以及0-10摩尔％K2O，其中所述玻璃的表面具有从表面延伸到层深度的压缩层，并且在小于所述层深度的第二深度内富集钾阳离子，其中所述玻璃的表面在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始层阈值至少为6000gf，其中表面的压缩应力至少为711MPa，其中所述玻璃是厚度最高为2mm的玻璃板。


3.一种碱性铝硼硅酸盐玻璃，其包含6.2-20摩尔％的B2O3、2-8.3摩尔％Li2O，所述玻璃的表面具有从表面延伸到层深度的压缩层，并且在小于所述层深度的第二深度内富集钾阳离子，其中所述表面的压缩应力至少为791MPa，所述层深度至少为50μm，其中所述玻璃的表面在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始层阈值至少为6000gf，其中所述玻璃是厚度最高为2mm的玻璃板。


4.一种碱性铝硼硅酸盐玻璃，其包含50-70摩尔％SiO2、5-15摩尔％Al2O3、5-20摩尔％B2O3、2-15摩尔％Li2O、0-20摩尔％Na2O以及0-10摩尔％K2O，其中所述玻璃的表面具有从表面延伸到层深度的压缩层，并且在小于所述层深度的第二深度内富集钾阳离子，其中所述玻璃的表面在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始层阈值至少为6000gf，其中所述层深度至少为50μm，其中表面的压缩应力至少为500MPa，其中所述玻璃是厚度最高为2mm的玻璃板。


5.一种碱性铝硼硅酸盐玻璃，其包含5-20摩尔％的B2O3、2-15摩尔％Li2O、锂阳离子、钠阳离子和钾阳离子，其中所述玻璃的表面具有从表面延伸到层深度的压缩层，并且在小于所述层深度的第二深度内富集钾阳离子，其中所述玻璃的表面在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始层阈值至少为6000gf。


6.如权利要求1-3和5中任一项所述的玻璃，其中所述表面具有至少50μm的压缩应力层深度。


7.如权利要求1-5中任一项所述的玻璃，其中所述层深度的范围为70μm至最高290μm。


8.如权利要求1-5中任一项所述的玻璃，其中所述第二深度的范围为5μm至最高20μm。


9.如权利要求1-5中任一项所述的玻璃，其中所述层深度的范围为70μm至最高290μm，且所述第二深度的范围为5μm至最高20μm。


10.如权利要求1-5中任一项所述的玻璃，其中所述碱性铝硼硅酸盐玻璃还包含至少一种以下组分：0-10摩尔％P2O5、0-5摩尔％MgO、0-1摩尔％CeO2以及0-1摩尔％SnO2。


11.如权利要求1-5中任一项所述的玻璃，其中所述玻璃的表面在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始层阈值至少为8000gf。


12.一种方法，该方法包括：
a.使碱性铝硼硅酸盐玻璃接触第一离子交换浴，以形成从玻璃表面延伸到层深度的压缩层，其中所述压缩层处于压缩应力下，其中所述碱性铝硼硅酸盐玻璃在接触第一离子交换浴前包含5-20摩尔％的B2O3和锂；以及
b.使所述碱性铝硼硅酸盐玻璃接触第二离子交换浴，从而用较大碱金属阳离子替换压缩层中存在的至少一部分碱金属阳离子至第二深度，所述第二深度小于所述层深度，其中所述用较大碱金属阳离子替换压缩层中的碱金属阳离子增强了压缩应力，其中所述碱性铝硼硅酸盐玻璃在接触第二离子交换浴后在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始层阈值至少为3000gf，
其中所述碱性铝硼硅酸盐玻璃在接触第一离子交换浴前在维氏压痕计的压痕上的裂缝起始层阈值至少为1000gf。


13.如权利要求12所述的方法，其中所述使碱性铝硼硅酸盐玻璃接触第一离子交换浴包括用钠阳离子替换锂阳离子至玻璃的层深度。


14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一离子交换浴包含钠盐。


15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一离子交换浴...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·戈麦斯，L·A·兰伯森，R·M·莫伦纳，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US