包含金属氧化物浓度梯度的可熔合成形的基于玻璃的制品制造技术

本发明专利技术涉及包含金属氧化物浓度梯度的可熔合成形的基于玻璃的制品。基于玻璃的制品，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，其限定了小于或等于约3毫米(例如，小于或等于约1毫米)的厚度(t)以及应力分布，其中，在约为0t至高至0.3t以及大于约0.7t至t的厚度范围内的应力分布的所有点包括如下正切，其斜率的绝对值大于约0.1MPa/微米。在一些实施方式中，基于玻璃的制品包括非零金属氧化物浓度，其沿着至少一部分的厚度(例如，0t至约为0.3t)变化，以及还包括小于约71.5/√(t)(MPa)的最大中心张力。在一些实施方式中，金属氧化物或碱金属氧化物的浓度从第一表面降低到位于所述第一表面和第二表面之间的一个点，并且从该点增加到所述第二表面。金属氧化物的浓度在整个厚度上可以是约为大于或等于0.05摩尔％或者约为大于或等于0.5摩尔％。还揭示了用于形成此类基于玻璃的制品的方法。基于玻璃的制品的方法。基于玻璃的制品的方法。

【技术实现步骤摘要】
包含金属氧化物浓度梯度的可熔合成形的基于玻璃的制品
[0001]本申请是申请日为2016年12月12日、申请号为201611141439.1、名称为“包含金属氧化物浓度梯度的可熔合成形的基于玻璃的制品”的专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请依据35U.S.C.
§
119要求2016年7月22日提交的美国临时申请序列号62/365534、2016年7月20日提交的美国临时申请序列号62/364687、2016年4月8日提交的美国临时申请序列号62/320095和2015年12月11日提交的美国临时申请序列号62/266411的优先权，上述文献的内容作为本申请的基础，并通过引用全文纳入本文。

技术介绍

[0004]本专利技术涉及可熔合成形的基于玻璃的制品，其展现出包括改善的耐断裂性在内的改善的耐损坏性，更具体而言，本专利技术涉及可熔融成形的玻璃和玻璃陶瓷制品，其展现出非零的金属氧化物浓度梯度或沿着大部分厚度而变化的浓度。
[0005]基于玻璃的制品经常经历会将大瑕疵引入这些制品表面内的严重的冲击。这些瑕疵可从表面延伸至不超过约200微米(μm)的深度处。通常，使用经过热钢化的玻璃来防止因这些瑕疵被引入玻璃内而导致的失效，因为经过热钢化的玻璃经常展现出大的压缩应力(CS)层(例如玻璃总厚度的约21％)，所述压缩应力层能够防止瑕疵进一步蔓延入玻璃内，进而防止失效。由热钢化而产生的应力分布的一个例子示于图1。图1中，经过热处理的玻璃制品100包含第一表面101、厚度t1和表面CS 110。经过热处理的玻璃制品100的CS在从第一表面101至压缩深度130的区间内减小，如本文所定义，在所述压缩深度130处，应力从压缩应力转变为拉伸应力，并且达到最大中心张力(CT)120。
[0006]目前，热钢化被限制为只对基于厚玻璃的制品(即，厚度t1约为3毫米或更厚的基于玻璃的制品)使用，因为，为了实现热强化和所需的残余应力，必须在这些制品的芯体与表面之间形成足够的热梯度。这些厚的制品在许多应用中是不希望的或没有实用性，所述应用如显示器(例如消费电子产品，包括手机、平板电脑、计算机、导航系统等)、建筑物(例如窗户、淋浴面板、台面等)、运输工具(例如汽车、火车、飞行器、航海器等)、家用电器或任何需要具有优异的耐断裂性同时薄且重量轻的制品的应用。
[0007]虽然化学强化不会以与热钢化相同的方式受限于基于玻璃的制品的厚度，但已知的经过化学强化的基于玻璃的制品未能展现出经过热钢化的基于玻璃的制品的应力分布。由化学强化(例如通过离子交换法)而产生的应力概况的一个例子示于图2。图2中，经过化学强化的基于玻璃的制品200包含第一表面201、厚度t2和表面CS 210。基于玻璃的制品200的CS在从第一表面201至DOC 230的区间内减小，如本文所定义，在所述深度DOC 230处，应力从压缩应力转变为拉伸应力，并且达到最大CT220。如图2所示，该分布展现出基本上平坦的CT区域或沿着CT区域的至少一部分具有恒定或接近恒定的拉伸应力的CT区域。相比于图1中所示的最大中心数值，已知的经过化学强化的基于玻璃的制品经常展现出更低的最大CT值。
[0008]因此，需要能够展现处改善的耐断裂性的薄的基于玻璃的制品。

技术实现思路

[0009]本专利技术的第一方面涉及一种基于玻璃的制品，其包含第一表面和与第一表面相对的第二表面，其限定出以毫米(mm)为单位的厚度(t)、非零且沿着约0
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t～约0.3
·
t范围内的厚度而变化的金属氧化物的浓度；以及具有小于约71.5/√(t)(MPa)的最大中心张力(CT)区域。在一种或多种实施方式中，利用Z.Tang等人在《用于测量经过强化的玻璃的易碎性和碎片化的自动化设备》(Automated Apparatus for Measuring the Frangibility and Fragmentation of Strengthened Glass)中所描述的“易碎性测试”进行测量，当基于玻璃的制品断裂时，该基于玻璃的制品断裂成最多2块碎片/英寸2。《试验机理》(Experimental Mechanics)(2014)54：903～912。碎片的数量除以被测样品的面积(单位：平方英寸)，其中，所使用的样品尺寸为5cm
×
5cm(2英寸
×
2英寸)平方。
[0010]在一种或多种实施方式中，金属氧化物的浓度非零且沿着整个厚度变化。在一种或多种实施方式中，金属氧化物沿着上述厚度范围产生了应力。上述金属氧化物的一价离子可具有基于玻璃的基材内所有金属氧化物的一价离子中最大的离子半径。金属氧化物的浓度可在从第一表面至第一表面与第二表面之间的一个点的区间内减小，并且在从该点至第二表面的区间内增大。例如，金属氧化物在第一表面处的浓度可约为金属氧化物在等于约0.5
·
t的深度处的浓度的1.5倍(或更大)。在一些例子中，金属氧化物的浓度在整个厚度中约为0.05摩尔％或更大(例如，在约1摩尔％～约15摩尔％的范围内)。在一些例子中，金属氧化物的浓度可在从第一表面至第一表面与第二表面之间一个点处的数值的区间内减小，并且在从该数值至第二表面的区间内增大。上述金属氧化物可包含Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O中的一种或多种。在一种或多种实施方式中，基于玻璃的制品的CT区域中可存在金属氧化物的浓度梯度。
[0011]在一种或多种实施方式中，基于玻璃的制品包含沿着厚度延伸的应力分布，其中，厚度范围在约0
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t～高至0.3
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t以及大于约0.7
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t至t内的应力分布上的所有点都具有斜率的绝对值大于约0.1MPa/μm的切线(即，斜率值小于约
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0.1MPa/μm或大于约0.1MPa/μm的切线)。在一些实施方式中，切线可与“局部梯度”交换着描述和使用，所述“局部梯度”定义为随着深度增加接近零，应力大小随深度的变化。在一些实施方式中，应力分布包含最大CS、DOC和小于约71.5/√(t)(MPa)的最大CT，其中，最大CT与最大CS的绝对值的比值在约0.01～约0.2的范围内，且DOC约为0.1
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t或更大。
[0012]在一种或多种实施方式中，本文所述的基于玻璃的制品展现出某种断裂特性。例如，在一种或多种实施方式中，当基于玻璃的制品因单一事件而断裂时(即，诸如坠落或与工具发生一次冲击这样的单一冲击)，该基于玻璃的制品断裂成最多2块碎片/英寸2，其中，所使用的样品尺寸为5cm
×
5cm(2英寸
×
2英寸)平方。
[0013]一种或多种实施方式的基于玻璃的制品可具有约300MPa或更大、或约400MPa或更大的表面压缩应力(CS)。在一些实施方式中，基于玻璃的制品具有约200MPa或更大的表面CS、以及约0.4
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t或更深的化学层深本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于玻璃的制品，其包括：第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其限定了厚度(t)(mm)；金属氧化物的浓度，其是非零的并且沿着从约为0t到约为0.3t的厚度范围变化；以及中心张力(CT)区域，其包括小于约71.5/√(t)的最大CT(MPa)，其中，当所述基于玻璃的制品破裂时，所述基于玻璃的制品破裂成小于或等于2块碎片/英寸2，其中，测试的样品尺寸为5cm乘5cm(2英寸乘2英寸)平方。2.如权利要求1所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物的浓度是非零的，并且沿着整个厚度变化。3.如权利要求1所述的玻璃制品，其特征在于，所述基于玻璃的制品包括大于或等于约300MPa的表面压缩应力(CS)。4.如权利要求3所述的基于玻璃的制品，其特征在于，其中，所述表面CS大于或等于约400MPa。5.如权利要求1所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述CT区域包括金属氧化物浓度梯度。6.如权利要求1所述的基于玻璃的制品，其包括：第一金属氧化物浓度和第二金属氧化物浓度，其中，随着厚度在约为0t至约为0.5t的第一范围内变化，所述第一金属氧化物浓度从约为15摩尔％至约为0摩尔％的范围内变化，以及其中，随着厚度从距离所述第一表面和第二表面中的至少一个的约为0微米至约为25微米的第二范围内变化，所述第二金属氧化物浓度从约为0摩尔％至约为10摩尔％的范围内变化。7.如权利要求1所述的基于玻璃的制品，其包括第三金属氧化物。8.一种基于玻璃的制品，其包括：第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其限定了厚度(t)；以及金属氧化物的浓度，其是非零的并且沿着从约为0t到约为0.3t的厚度范围变化；大于或等于约200MPa的表面压缩应力；以及CT区域，其具有小于约71.5/√(t)的最大CT。9.如权利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物浓度的厚度范围是约为0t至约为0.4t。10.如权利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物浓度的厚度范围是约为0t至约为0.45t。11.如权利要求1或8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物的单价离子沿着厚度范围产生应力。12.如权利要求11所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物的所述单价离子具有所述基于玻璃的制品的所述金属氧化物的所有单价离子中最大的离子直径。13.如权利要求1或8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物的浓度从第一表面降低到位于所述第一表面和第二表面之间的点的一个值，并且从该值增加到所述第二表面。14.如权利要求1或8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述基于玻璃的制品包括在
约为460℃大于或等于约450μm2/小时的钠离子或钾离子扩散系数，以及大于约0.15t的DOC，以及其中，所述表面CS是最大CT的1.5倍或更大。15.如权利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，表面CS的绝对值大于最大CT的绝对值。16.如权利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述表面CS大于或等于约300MPa，以及厚度小于或等于约2毫米。17.如权利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述CT区域包括金属氧化物，所述金属氧化物是非零的并且沿着约为0t至约为0.3t的厚度范围发生变化。18.如权利要求1或8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，最大CT与表面CS的绝对值之比约为0.1至0.2。19.一种基于玻璃的制品，其包括：第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其限定了小于约3毫米的厚度(t)；以及沿着所述厚度延伸的应力分布，其中，在约为0t至高至0.3t以及大于约0.7t至t的厚度范围内的应力分布的所有点包括如下正切，其斜率的绝对值大于约0.1MPa/微米，其中，所述应力分布包括最大CS、DOC和小于约71.5/√(t)(MPa)的最大CT，其中，最大CT与最大CS的绝对值之比约为0.01至约为0.2，以及其中，所述DOC大于或等于约0.1t，以及其中，当所述基于玻璃的制品破裂时，所述基于玻璃的制品破裂成小于或等于2块碎片/英寸2，其中，测试的样品尺寸为5cm乘5cm(2英寸乘2英寸)平方。20.如权利要求1或19所述的基于玻璃的制品，其包括大于或等于约200MPa的表面CS，以及大于或等于约0.4t的化学层深度。21.一种基于玻璃的制品，其包括：第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其限定了厚度(t)(mm)；金属氧化物的浓度，其是非零的并且沿着从约为0t到约为0.3t的厚度范围变化；以及中心张力(CT)区域，其包括小于约71.5/√(t)的最大CT(MPa)，其中，所述制品展现出以下至少一种性质：(i)当制品被弯曲以赋予100MPa的拉伸应力时，阈值失效冲击力大于500牛顿；以及(ii)当制品被弯曲以赋予100MPa的拉伸应力时，在受到800N的冲击之后，保留强度大于或等于125MPa。22.如权利要求21所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述基于玻璃的制品的表面压缩应力大于约200MPa。23.一种基于玻璃的制品，其包括：第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其限定了小于约3毫米的厚度(t)；以及沿着所述厚度延伸的应力分布，其中，在约为0t至高至0.3t以及大于约0.7t至t的厚度范围内的应力分布的所有点包括如下正切，其斜率的绝对值大于约0.1MPa/微米，其中，所述应力分布包括最大CS、DOC和小于约71.5/√(t)(MPa)的最大CT，其中，最大CT与最大CS的绝对值之比约为0.01至约为0.2，以及其中，所述DOC大于或等于约0.1t，以及其中，所述制品展现出以下至少一种性质：
(i)当制品被弯曲以赋予100MPa的拉伸应力时，阈值失效冲击力大于500牛顿；以及(ii)当制品被弯曲以赋予100MPa的拉伸应力时，在受到800N的冲击之后，保留强度大于或等于125MPa。24.一种基于玻璃的制品，其包括：第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其限定了厚度(t)(mm)；以及形成浓度梯度的金属氧化物，其中，所述金属氧化物的浓度从第一表面降低到位于所述第一表面和第二表面之间的点的一个值，并且从该值增加到所述第二表面，其中，所述金属氧化物在该点的浓度不是零，以及其中，所述基于玻璃的制品包括约为大于0J/m2至小于25J/m2的存储拉伸能，以及小于约80GPa的杨氏模量。25.如权利要求1、8或24中任一项所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物的浓度在整个厚度范围大于或等于约0.05摩尔％。26.如权利要求1、8或24中任一项所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物在所述第一表面的浓度是所述金属氧化物在等于约0.5t处的深度的浓度的约为1.5倍或更大。27.如权利要求1、8或24中任一项所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物的总浓度约为1摩尔％至约为15摩尔％。28.如权利要求1、8或24中任一项所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金属氧化物包括以下任意一种或多种：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O。29.如权利要求1、8或24中任一项所述的基于玻璃的制品，其包括从所述第一表面延伸到DOC的CS层，其中，DOC大于或等于约0.1t。30.如权利要求19或24中任一项所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述CT区域包括最大CT，以及最大CT与表面CS的绝对值之比约为0.01至0.2。31.一种基于玻璃的制品，其包括：第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其限定了小于约3毫米的厚度(t)；以及沿着所述厚度延伸的应力分布，其中，在约为0t至高至0.3t以及大于约0.7t至t的厚度范围内的所有点的应力分布包括如下局部梯度，其绝对值大于约0.1MPa/微...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：