用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃和玻璃陶瓷制造技术

本发明专利技术公开了一种用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃和玻璃陶瓷，具体公开了一种新颖的可以被化学钢化的包含Li2O和P2O5的铝硅酸盐玻璃。本发明专利技术的玻璃可通过加入0.01-8wt％的P2O5实现高的离子交换速度。本发明专利技术的玻璃包含2-6wt％的Li2O，可降低玻璃熔融温度和玻璃化转变温度。本发明专利技术玻璃具有低的玻璃化转变温度(Tg)480-590℃，玻璃硬度至少为600Kg/mm2。化学钢化后本发明专利技术的玻璃具有大的表面应力层深度(DoL)和高的表面压应力(CS)。在纯KNO3中钢化后，可形成钾离子应力层，DoL至少为20μm，CS至少为600MPa。在KNO3和NaNO3混合盐中或使用KNO3和NaNO3进行两步钢化，可同时形成钾和钠离子应力层，DoL至少为50μm，CS至少为600MPa。另外，本发明专利技术的铝硅酸盐玻璃可经进一步热处理转变为玻璃陶瓷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及适于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，进ー步涉及适于化学钢化的包含Li2O和P2O5的铝硅酸盐玻璃。本专利技术还涉及利用该化学钢化玻璃制得的制品。本专利技术的铝硅酸盐玻璃适合用于3D模压和热弯曲、曲面热弯、红外弯曲和其它热成形技木。另外，本专利技术还涉及由铝硅酸盐玻璃经进ー步热处理获得的玻璃陶瓷。
技术介绍
防护玻璃通常用在电子器件，移动电子器件，例如个人数据助理、移动或蜂窝式电话、手表、便携式电脑和笔记本电脑、数码相机、PDA中，或用作触摸屏、电视机的基材玻璃。非常需要具有较大尺寸和/或3D形状的防护玻璃。对于ー些应用场合，防护玻璃对于使用者的触摸敏感，例如，容易发生损伤、刮擦和变形。由于频繁接触，这些防护玻璃必须具有高的強度并且要耐刮擦。传统的钠钙玻璃不能满足这些要求，例如对于高強度和耐刮擦性的 要求。铝硅酸盐玻璃具有高強度、高硬度、稳定的耐化学性、低的热膨胀系数、高的耐刮擦和抗冲击性，适合用作移动器件(移动电话、智能电话、平板电脑、笔记本电脑、PDA)的防护玻璃。这种玻璃也可用作不可移动器件(电视机、个人电脑、MTA设备、数码相机、手表、エ业显不器)的防护玻璃、触摸屏的防护玻璃、防护窗、汽车车窗、火车车窗、航空机械窗，硬盘基材或太阳能电池基本材料。同时这种玻璃也可以用在白色家电领域，如冰箱和厨具坐寸ο以上应用需要高強度、抗刮擦的玻璃。这种玻璃通常通过在低温环境下进行的离子交換エ艺实现这样高的強度，这种过程被称为化学钢化。化学钢化能增强玻璃強度从而抵御划伤和冲击避免破裂。化学钢化是通过离子交换产生玻璃的表面压应力。离子交換エ艺的简单原理是在350-490°C左右的盐液中，例如NaN03、KNO3或NaNO3和KNO3的混合物中进行离子交換，使玻璃表层中半径较小的离子与液体中半径较大的离子交換，比如玻璃中的钠离子与溶液中的钾离子交換，利用碱离子体积上的差异产生表面压应力。特别适合O. 5-4mm厚的玻璃。化学钢化玻璃的优点是，不会引起玻璃翘曲，表面平整度与原片玻璃一样，同时强度和耐温度变化有一定提高，并适合作切裁处理。玻璃的強度可用CS(表面压应力)和DoL(表面应カ层深度)表征。实际应用中需要高的CS和高的DoL。通过合理控制DoL(表面应カ层深度)和CS(表面压应力)，可以获得具有较高强度的玻璃。DoL(表面应カ层深度)的大小和CS (表面压应力)的大小，与玻璃成分相关，特别与玻璃中碱金属含量相关，同时也与玻璃钢化工艺包括钢化时间、钢化温度相关。在化学钢化的过程中，玻璃表面会形成压应カ层。根据离子扩散定律，压应カ层的深度与钢化时间的平方根成正比。钢化时间越长，钢化层越深，表面压应カ就越小，中心张应カ也越大。当钢化时间过长吋，因为中心张应カ的变大和玻璃结构松弛会造成表面压应カ降低，玻璃的強度反而会降低。因此，存在ー个最佳钢化时间，达到表面压应力，钢化层深度和中心张应カ的平衡，从而得到最佳強度的玻璃。最佳钢化时间随玻璃成分，盐浴成分和钢化温度而变化。离子交換后，玻璃表面形成压应力，玻璃強度因而提高。为了平衡玻璃表面的压应力，在玻璃中心会形成张应力。过高的张应カ会増加玻璃破碎的风险。弯曲的玻璃部件在受到外力作用时对于中心张应カ更为敏感。因此，中心张应カ必须低于50MPa，优选为30MPa，更优选低于20MPa，最优选低于15MPa。表面压应カ必须大于600MPa，优选大于700MPa，最优选大于800MPa。通常高于600MPa的CS和高于20 μ m的DoL以及玻璃化转变温度小于590°C是令人感兴趣的。但目前公开的专利，如钠离子或钾离子替代锂铝硅玻璃中锂离子的专利US3，218，220，US 3，752，729，US3, 900，329，US 4，156，755 和 US 5，928，793，以及钾离子替代交换钠铝硅酸盐玻璃的钠离子的专利US 3，485，702，US 3，752，729，US 4，055，703和US4，015，045以及以下描述的现有技术的专利都不能同时满足这一点。而且不能广泛地适用于KNO3, NaNO3或是KNO3和NaNO3的混合盐或使用NaNO3和KNO3进行两步钢化中进行的钢化。如锂铝硅酸盐玻璃在KNO3中钢化，DoL通常都小于ΙΟμπι，这在实际应用中受到限制。 而钠铝硅酸盐玻璃由于不含有Li2O,在NaNO3中无法达到高效率离子交換，不能获得理想的钢化效果，同时钠铝硅酸盐玻璃的熔点和玻璃化转变温度(Tg)都很高，通常高于600°C，不能适于经济的制造和3D精密模压应用。对于3D形状，例如曲面的防护玻璃的需求越来越大。制造这种3D形状防护玻璃经济有效的方法是使用压制、精密模制或热弯曲方法。为在制造エ艺中通过压制和精密模制实现以低成本大量制造的目的，希望用于压制和精密模制的模子能够重复使用。为此目的，使用具有适当软化性质的玻璃，即具有适当的玻璃化转变点(Tg)的玻璃，在压制和精密模制期间，温度应当尽量的低，从而抑制模子表面的氧化，使模具表面的氧化減少到最低。目前，由模子耐热温度确定的温度上限，对于模制而言，是700-900°C，对于精密加压模制而言，是650-700°C。压制温度优选低于800°C，更优选低于750°C，进ー步优选低于700°C，特别优选低于650°C，尤其优选低于600°C。相应地，玻璃化转变点(Tg)的上限约为550-620°C，优选< 600°C，特别优选< 590°C，尤其优选< 570°C，更优选< 550°C，最优选<530°C。玻璃化转变温度越低，模子寿命越长，生产效益也越高。但目前现有的用于化学钢化玻璃的玻璃化转变点(Tg)都高于600°C。因此，具有低Tg的铝硅酸盐玻璃对于3D模制具有十分重要的意义。热膨胀系数(CTE)对于热压、精密模压和热弯曲是ー个重要的參数。在热压、精密模压和热弯曲过程中，CTE需要有ー个最佳范围，通常的最佳范围是3. 5-11 X KT6IT1,具有这ー范围的CTE的玻璃在热压、精密模压或热弯曲过程中所使用的模具很容易脱摸。同吋，抗热振性能良好，有利于在高温下的化学钢化。杨氏模量是材料的一个本征性能，它是描述材料抵抗形变能力的物理量，该值越大，在外力作用下，材料越不容易变形。在玻璃做为上述应用时，是不希望玻璃产生大的变形，因而玻璃需要有一个较大杨氏模量。而现有玻璃中杨氏模量较低，一般为70-73kN/mm2。对于用于触摸屏，防护窗的玻璃，大的杨氏模量值将有利于更好的保护元器件的使用。US 4，055，703描述了包含P2O5的碱性氧化铝-ニ氧化硅-氧化锆玻璃具有快速的离子交換速度，加入P2O5后表面应カ层变深，DoL值变大。但是，该玻璃仅包含0-0. Iwt. %的Li2O,低含量的Li2O不足以降低玻璃的Tg和熔融温度。另外，该专利倾向使用大于IOwt. %的P2O5，玻璃中P2O5浓度过高容易导致玻璃的失透，同时该专利的玻璃还需要更多的ZnO，ZnO含量增高容易导致结晶化。另外，高浓度的P2O5不利于浮法生产。US 2008/0286548描述了具有高机械性能的碱性铝硅酸盐玻璃。但是该玻璃软化点以及Tg高，不适合进行压制、精密模制或热弯曲。这种玻璃包含高于64mol %本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，所述玻璃包含成分wt.% SiO250-62.5Al2O316-21 Na2O8-<12 K2O0-<2 MgO0-<1 B2O30-10 Li2O>2-6 ZnO0-8 CaO0-<1ZrO20.1-4 TiO20-4 CeO20.01-<0.2F20-0.5 SnO20.01-0.5 SrO0-1 P2O50.01-8 SO30-0.05 Fe2O30.06-0.12 P2CVLi2O0.002-4 P205/Si02>0.0016-0.15 所述玻璃的Tg为480-590°C，玻璃的CTE为4. 5-ΙΟΧΙΟ^Γ1,及玻璃的硬度至少为.600Kgf/mm2。2.根据权利要求I的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，所述玻璃包含成分wt.% SiO254-62.5Al2O316-19 Na2O8.5-<10K^O0-<1 MgO0-<1B2O30-10 Li2O3-6 ZnO0-6 CaO0-<1ZrO22.6-4 TiO20-2 CeO20.01-<0.2F20-0.5 SnO20.01-0.5 SrO0-1P2O51.8-8SO30-0.05 Fe2O30.06-0.12 P205/Li200.17-2 P2CVSiO2>0.016-0.14 所述玻璃的Tg为480-590°C，玻璃的CTE为4. 5-ΙΟΧΙΟ^Γ1,及玻璃的硬度至少为600Kgf/mm2。3.根据权利要求I的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，所述玻璃包含成分wt.%SiO255-62.5Al2O317-18Na2O9-<10K2O0-0.8B2O30-10Li2O4-6 ZnO0-5 CaO0-<1ZrO23-4TiO20-1CeO20.01-<0.2F20-0.5SnO20.01-0.5SrO0-1P2O52-6SO30-0.05Fe2O30.06-0.12P205/Li200.17-1.5P205/Si020.017-0.1 所述玻璃的Tg为480-590°C，玻璃的CTE为4. 5-ΙΟΧΙΟ^Γ1,及玻璃的硬度至少为600Kgf/mm2。4.根据权利要求1-3任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，特征在于所述玻璃的Tg为 500-570 °C。5.根据权利要求1-3任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，特征在于所述玻璃的Tg为 500-550 °C。6.根据权利要求1-3任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，特征在于所述玻璃的CTE 为 6-10X101'7.根据权利要求1-3任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，特征在于所述玻璃在化学钢化后的硬度高于650Kgf/mm2。8.根据权利要求1-3任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，特征在于所述玻璃在化学钢化后的硬度高于700Kgf/mm2。9.根据权利要求1-3任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，特征在于所述玻璃在化学钢化后的硬度高于750Kgf/mm2。10.根据权利要求1-3任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，在熔融KNO3和NaNCV混合盐中钢化后，硬度高于550Kgf/mm2，Tg为500_570°C。11.一种用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷包含成分wt.%SiO250-62.5Al2O316-21N&208-<12K2O0-<2MgO0-<1B2O30-10Li2O>2-6 ZnO0-8CaO0-<1ZrO20.1-4 TiO20-4CeO20.01-<0.2F20-0.5SnO20.01-0.5 SrO0-1P2O50.01-8SO30-0.05Fe2O30.06-0.12 P2CVLi2O0.002-4 P2CVSiO2>0.0016-0.15 所述玻璃陶瓷的硬度高于700Kgf/mm2。12.根据权利要求11的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷包含成分wt.%SiO254-62.5Al2O316-19Na2O8·5-<10K2O0-<1MgO0-<1 Β2Ο3O-10Li2O3-6ZnO0-6CaO0-<1ZrO22.6-4TiO20-2CeO20_01-<0.2F20-0.5SnO20.01-0.5SrO0-1P2O51.8-8SO30-0.05Fe2O30.06-0.12P205/Li200.17-2P2CVSiO2>0.016-0.14所述玻璃陶瓷的硬度高于700Kgf/mm2。13.根据权利要求11的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷包含成分wt.%SiO255-62.5Al2O317-18N&2O9·<10K2O0-0.8Β2Ο3O-10Li2O4-6ZnO0-5CaO0-<1ZrO23-4TiO20-1CeO20.01-<0.2F20-0.5SnO20.01-0.5SrO0-1P2O52-6SO30-0.05Fe2O30.06-0.12P2CVLi2O0.17-1.5P205/Si020.017-0.1 所述玻璃陶瓷的硬度高于700Kgf/mm2。14.根据权利要求11-13任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，特征在于所述玻璃陶瓷在化学钢化后的硬度高于750Kgf/mm2。15.根据权利要求11-13任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，特征在于所述玻璃陶瓷在化学钢化后的硬度高于800Kgf/mm2。16.根据权利要求1-10任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃或根据权利要求11-15任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，在熔融KNO3中钢化后，可形成钾离子应カ层，表面应カ层深度> 20 μ m。17.根据权利要求1-10任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃或根据权利要求11-15任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，在熔融KNO3中钢化后，可形成钾离子应カ层，表面应カ层深度> 30 μ m。18.根据权利要求1-10任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃或根据权利要求11-15任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，在熔融KNO3中钢化后，可形成钾离子应カ层，表面应カ层深度> 35 μ m。19.根据权利要求1-10任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃或根据权利要求11-15任ー项的用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃陶瓷，在熔融KNO3中钢化后，可形...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，格哈德·劳滕施勒格尔，乔斯·西默，马蒂亚斯·贝泽尔，
申请(专利权)人：肖特玻璃科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：