適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃及其強(qiáng)化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種玻璃機(jī)械強(qiáng)度較高、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃。適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其重量百分比組成含有：SiO2：50-60%、Al2O3：8-18%、Na2O：12-20%、K2O：1-8%、ZrO2：1-10%、MgO：2-10%，且不含有B2O3。本發(fā)明采用SiO2-Al2O3-Na2O系玻璃，通過(guò)合理設(shè)定組分及其含量，提高了玻璃的機(jī)械強(qiáng)度與化學(xué)穩(wěn)定性；本發(fā)明所得到的玻璃在強(qiáng)化溫度390-410℃、強(qiáng)化時(shí)間4-6小時(shí)的離子交換條件下，應(yīng)力層深度達(dá)到40μm時(shí)，表面壓應(yīng)力可達(dá)到800Mpa以上，玻璃被增強(qiáng)，抗沖擊性能好。本發(fā)明的玻璃耐磨性較高，適合用于手機(jī)、PDA等高檔電子顯示產(chǎn)品。
【專利說(shuō)明】適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃及其強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃及其強(qiáng)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著觸控技術(shù)的成熟，對(duì)觸控界面的材料提出了更高的要求。觸控界面要求材料厚度很薄，具有高透光性，且具有高強(qiáng)度及耐劃傷性。玻璃特別是SiO2-Al2O3-Na2O類玻璃制成薄板，經(jīng)過(guò)化學(xué)強(qiáng)化后，成為觸控界面的首選材料，并且已得到了大量應(yīng)用。
[0003]SiO2-Al2O3-Na2O類玻璃在生產(chǎn)、加工和使用過(guò)程中，表面會(huì)產(chǎn)生大量微裂紋，這些微裂紋的存在使得玻璃實(shí)際強(qiáng)度大大低于理論強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)化學(xué)強(qiáng)化的方法使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以提高玻璃強(qiáng)度，抑制表面微裂紋的擴(kuò)展。化學(xué)強(qiáng)化法是在玻璃的應(yīng)變點(diǎn)以下的溫度，通過(guò)離子交換在玻璃基板的表面引入離子半徑大的堿離子的方法，即:將玻璃浸泡在熔融的硝酸鉀或者硝酸鉀與硝酸鈉的混合鹽中，用熔鹽中的鉀對(duì)玻璃中的鈉進(jìn)行離子交換。通過(guò)化學(xué)強(qiáng)化法形成壓縮應(yīng)力層，即使薄型玻璃基板，也可以進(jìn)行離子交換處理，從而可以得到所需的機(jī)械強(qiáng)度。
[0004]對(duì)于強(qiáng)化玻璃而言，如果提高玻璃表面形成的壓縮應(yīng)力層的壓縮應(yīng)力值，增大壓縮應(yīng)力層的厚度，則可以提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度。但是，同時(shí)形成高的壓縮應(yīng)力值和厚的壓縮應(yīng)力層是困難的。因?yàn)闉榱说玫胶竦膲嚎s應(yīng)力層，往往需要提高離子交換溫度或延長(zhǎng)離子交換時(shí)間，但是這樣 做也容易使得玻璃壓縮應(yīng)力值下降。
[0005]另外，如果SiO2-Al2O3-Na2O玻璃組成中含有B2O3,例如CN101891382A所公開(kāi)的技術(shù)方案，B2O3會(huì)使玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性變差，通過(guò)離子交換后表面易產(chǎn)生斑點(diǎn)，并且B2O3的存在會(huì)顯著降低玻璃鋼化后的應(yīng)力值，從而降低玻璃的鋼化效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種玻璃組份中不含B2O3，機(jī)械強(qiáng)度較高、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、適于化學(xué)強(qiáng)化的SiO2-Al2O3-Na2O系玻璃。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其重量百分比組成含有:Si02:50-60%, Al2O3:8-18%, Na2O: 12-20%、K2O: 1-8%, ZrO2: 1-10%, MgO:2_10%，且
不含有B2O30
[0008]進(jìn)一步的，含有Sb203、Na2SO4與CeO2中的一種或多種作為澄清劑。
[0009]進(jìn)一步的，其重量百分比組成為:Si02:50-60%, Al2O3:8-18%, Na2O:12-20%, K2O:1-8%、ZrO2:1-10%、MgO:2_10%，澄清劑為 Sb203、Na2SO4 與 CeO2 中的一種或多種。
[0010]進(jìn)一步的，所述SiO2 為 52-59%。
[0011]進(jìn)一步的，所述Al2O3 為 8-15%。
[0012]進(jìn)一步的，所述Na2O 為 15.1_16%。
[0013]進(jìn)一步的，所述K2O為5-8%。
[0014]進(jìn)一步的，所述ZrO2為1-5%。[0015]進(jìn)一步的，所述MgO 為 4.5-10%。
[0016]進(jìn)一步的，所述MgO 為 5.1-10%。
[0017]進(jìn)一步的，含有0-0.5% 的 Sb2O3。
[0018]進(jìn)一步的，含有0-0.5% 的 Na2SO4。
[0019]進(jìn)一步的，含有0-0.8% 的 CeO2。
[0020]進(jìn)一步的，含有0.01-0.5% 的 Sb2O3。
[0021]進(jìn)一步的，含有0.01-0.5% 的 Na2SO4。
[0022]進(jìn)一步的，含有0.01-0.4% 的 CeO2。
[0023]進(jìn)一步的，Na2O與K2O合計(jì)量為15-25%。
[0024]進(jìn)一步的，所述玻璃熔制溫度為1480-1560°C，耐酸達(dá)到I級(jí)以上，耐潮達(dá)B級(jí)以上。
[0025]適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃的強(qiáng)化方法，該方法是將玻璃浸泡在KNO3熔鹽中進(jìn)行離子交換處理，強(qiáng)化溫度為390-410°C，強(qiáng)化時(shí)間為4-6小時(shí)，玻璃交換層深度達(dá)到40 μ m時(shí)，玻璃表面壓應(yīng)力達(dá)到800Mpa以上。 [0026]采用上述的化學(xué)強(qiáng)化玻璃制成的手機(jī)面板。
[0027]采用上述的化學(xué)強(qiáng)化玻璃制成的PDA面板。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用SiO2-Al2O3-Na2O系玻璃，通過(guò)合理設(shè)定組分及其含量，提高了玻璃的機(jī)械強(qiáng)度與化學(xué)穩(wěn)定性；本發(fā)明所得到的玻璃在強(qiáng)化溫度390_410°C、強(qiáng)化時(shí)間4-6小時(shí)的離子交換條件下,應(yīng)力層深度達(dá)到40 μ m時(shí)，表面壓應(yīng)力可達(dá)到800Mpa以上，玻璃被增強(qiáng)，抗沖擊性能好。本發(fā)明的玻璃耐磨性較高,適合用于手機(jī)、PDA等高檔電子顯示產(chǎn)品的保護(hù)性玻璃材料。
【具體實(shí)施方式】
[0029]發(fā)明人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，玻璃組份中通過(guò)引入適量的ZrOjP Al2O3，利用ZrOjP Al2O3的高硬度玻璃成分的特性，并且保持高堿金屬含量的條件，可以有效提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度，即可以實(shí)現(xiàn)提高玻璃表面形成的壓縮應(yīng)力層的壓縮應(yīng)力值的同時(shí)，使壓縮應(yīng)力層的厚度也得以增大。該玻璃在較低的強(qiáng)化溫度下，以及較短的強(qiáng)化時(shí)間內(nèi)，可獲得更深的應(yīng)力層深度，并且在具有較深的應(yīng)力層的同時(shí)具有較高的壓應(yīng)力。
[0030]以下對(duì)本發(fā)明的玻璃中可含有的組分進(jìn)行說(shuō)明，各組分的含有量以重量％表示。
[0031]SiO2是形成玻璃骨架的主要成份，其含量越高，越可以提高化學(xué)耐久性以及玻璃的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)其含量在50%以下時(shí)，玻璃本征強(qiáng)度不好；但當(dāng)其含量超過(guò)60%時(shí)，熔化溫度過(guò)高。因此，SiO2含量限定為50-60%，優(yōu)選為52-59%。
[0032]Al2O3在玻璃組成中為玻璃表面的離子交換提供性能，同時(shí)也是改善玻璃化學(xué)穩(wěn)定性、降低玻璃析晶傾向以及提高玻璃硬度和機(jī)械強(qiáng)度的必要組分，若Al2O3在8%以下，交換效果不好，無(wú)法滿足強(qiáng)化性能要求，但當(dāng)其含量超過(guò)18%時(shí)，玻璃粘度增加，熔化溫度大大提高，且耐失透性能惡化。因此，Al2O3的含量為8-18%，優(yōu)選含量為8-15%。
[0033]作為鋁硅酸鹽玻璃，玻璃當(dāng)中存在大量中間體氧化物Al2O3,如果堿金屬存在較多，玻璃中鋁以四面體存在，其體積較硅氧四面體更大，會(huì)產(chǎn)生更大空隙，使得玻璃表面離子交換更容易，而且交換的深度也更大，對(duì)于劃傷和沖擊破壞起到抑制作用，明顯提高機(jī)械強(qiáng)度。
[0034]以往，為了解決該問(wèn)題，研究了在玻璃組成中引入Al203、Zr02等提高離子交換性能的成分的方案，但是，大量引入這些成份時(shí)，玻璃的耐失透性容易下降，因此這些成分的添加量存在限度。
[0035]ZrO2有提高玻璃硬度的效果，當(dāng)其含量在10%以下時(shí)，可提高化學(xué)穩(wěn)定性；但若超過(guò)10%，玻璃的耐失透性低下，而且易作為熔爐底部的未溶物，沉淀趨勢(shì)變強(qiáng)。因此，ZrO2的含量限定為1_10%，優(yōu)選為1-5%。
[0036]Na2O是玻璃表層與離子交換處理液中的K離子進(jìn)行離子交換從而實(shí)現(xiàn)玻璃化學(xué)強(qiáng)化的必須成份，同時(shí)其還作為易熔玻璃組分，可降低玻璃熔融溫度，若其含量在12%以下，交換性能不好，且熔制溫度提高；但當(dāng)含量超過(guò)20%，化學(xué)穩(wěn)定性劣化，且硬度變小。因此Na2O的含量限定為12-20%，優(yōu)選含量為15.1_16%。
[0037]K2O通過(guò)與Na2O混合堿的效果，能夠提高玻璃熔融性，并降低玻璃的粘度，但K2O含量增加將使玻璃內(nèi)K+含量增加，影響玻璃的強(qiáng)化效果，因此，K2O含量限定為1-8%，優(yōu)選含量為5-8%。Na2O與K2O合計(jì)量范圍限定為15-25%。
[0038]本發(fā)明人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，MgO是用來(lái)提高玻璃本征強(qiáng)度的關(guān)鍵組分，不僅能起到消除或鈍化玻璃產(chǎn)生微裂紋的作用，可以提高所述玻璃離子交換后的表面壓應(yīng)力值，而且具有提高玻璃的楊氏模量的效果。當(dāng)MgO組分含量不足2%，達(dá)不到上述效果；如果超過(guò)10%，則玻璃易失透，因此其含量為2-10%，優(yōu)選為4.5-10%,更優(yōu)選為5.1-10%。
[0039]同時(shí)，本發(fā)明所述玻璃組分中的堿土金屬組分僅引入MgO，因?yàn)榘l(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明配方系統(tǒng)中引入BaO、SrO、CaO中的一種或幾種，達(dá)不到只引入MgO對(duì)玻璃強(qiáng)度性能提升的效果，且玻璃易發(fā)脆，因此本發(fā)明不引入BaO、SrO和CaO。
[0040]本發(fā)明可選用Sb203、Na2SO4或CeO2 —種或幾種混合作為澄清劑，其中，Sb2O3含量為0-0.5%,優(yōu)選為0.01-0.5% ；Na2S04含量為0-0.5%,優(yōu)選為0.01-0.5% ；Ce02含量范圍為0-0.8%,優(yōu)選為 0.01-0.4%O
[0041]本發(fā)明玻璃的生產(chǎn)工藝如下(不限于本生產(chǎn)工藝):
[0042]I)按重量比例稱量各組份的氧化物、碳酸鹽和硝酸鹽等常用玻璃原料，充分混合后加入怕金樹(shù)禍內(nèi)；
[0043]2)在1480_1560°C下熔化、澄清、均化后降溫；
[0044]3)將熔融玻璃液澆注入預(yù)熱后的金屬模，將玻璃連同金屬模一起放入退火爐內(nèi)退火冷卻后即得。
[0045]將本發(fā)明所得到的玻璃加工成50X 50X Imm的規(guī)格，在溫度為390_410°C的KN03熔鹽中進(jìn)行離子交換處理，強(qiáng)化浸泡4-6小時(shí)，使玻璃表層的Na離子與上述處理液中的K離子進(jìn)行離子交換，得到化學(xué)強(qiáng)化玻璃。
[0046]本發(fā)明所述玻璃更容易離子交換，表現(xiàn)在更短的鋼化時(shí)間內(nèi)，以更低的交換溫度獲得更高的表面壓應(yīng)力和更深的交換層深度。具體說(shuō)，本發(fā)明玻璃在390-410°C鋼化溫度下，鋼化時(shí)間在4-6小時(shí)，可以得到40 μ m的交換層深度，而且表面壓應(yīng)力更大，達(dá)到800MPa以上，這既可以降低鋼化成本，也可以保證質(zhì)量，特別是對(duì)超薄玻璃而言，如果應(yīng)力層深度不夠，玻璃在精拋時(shí)，應(yīng)力層容 易被磨掉，玻璃表面的耐劃傷能力不強(qiáng)，易變形。
[0047]玻璃表面壓應(yīng)力及應(yīng)力層深度測(cè)定在FSM - 6000表明應(yīng)力儀上進(jìn)行。強(qiáng)化好的玻璃樣品(50 X 50 X lmm)經(jīng)擦拭后，放在涂有折射液(折射液的折射率大于1.64)的玻璃測(cè)
試臺(tái)上。FSM - 6000利用強(qiáng)化樣品表面層的光波導(dǎo)效應(yīng)測(cè)量表面壓應(yīng)力和應(yīng)力層深度。
[0048]膨脹系數(shù)測(cè)試根據(jù)GB/T7962.16—1987《無(wú)色光學(xué)玻璃測(cè)試方法膨脹系數(shù)、轉(zhuǎn)變
溫度》。
[0049]根據(jù)GB/T7962.14—1987《無(wú)色光學(xué)玻璃測(cè)試方法耐酸》，測(cè)試玻璃耐酸性能。
[0050]根據(jù)GB/T7962.15—1987《無(wú)色光學(xué)玻璃測(cè)試方法耐潮》，測(cè)試玻璃耐潮級(jí)別。
[0051]下面表1-表3是本發(fā)明的15個(gè)實(shí)施例。
[0052]表1
[0053]
【權(quán)利要求】
1.適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，其重量百分比組成含有=SiO2:50-60%, Al2O3:8-18%、Na2O: 12-20%、K2O: 1-8%, ZrO2: 1-10%, MgO:2_10%，且不含有 B2O30
2.如權(quán)利要求1所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，含有Sb203、Na2S04與CeO2中的一種或多種作為澄清劑。
3.如權(quán)利要求1所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，其重量百分比組成為:SiO2:50-60%, Al2O3:8-18%, Na2O: 12-20%、K2O:1_8%、ZrO2:1_10%、MgO:2_10%，澄清劑為Sb2O3^Na2SO4與CeO2中的一種或多種。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，所述SiO2為52-59%。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，所述Al2O3為8-15%。
6.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，所述Na2OS15.1-16%。
7.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，所述K2O為5-8%。
8.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，所述ZrO2為1_5%。
9.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，所述MgO為4.5-10%。
10.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，所述MgO為5.1-10%。
11.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，含有0-0.5%的Sb2O3。
12.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，含有0-0.5%的Na2SO4。
13.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，含有0-0.8%的CeO2。
14.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，含有0.01-0.5%的Sb2O3。
15.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，含有0.01-0.5%的Na2SO4。
16.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，含有0.01-0.4%的CeO20
17.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，Na2O與K2O合計(jì)量為 15-25%。
18.如權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，其特征在于，所述玻璃熔制溫度為1480-1560°C，耐酸達(dá)到I級(jí)以上，耐潮達(dá)B級(jí)以上。
19.權(quán)利要求1、2或3所述的適于化學(xué)強(qiáng)化的玻璃的強(qiáng)化方法，其特征在于，該方法是將玻璃浸泡在KNO3熔鹽中進(jìn)行離子交換處理，強(qiáng)化溫度為390-410°C，強(qiáng)化時(shí)間為4_6小時(shí)，玻璃交換層深度達(dá)到40 μ m時(shí)，玻璃表面壓應(yīng)力達(dá)到800Mpa以上。
20.采用權(quán)利要求1-18任一權(quán)利要求所述的化學(xué)強(qiáng)化玻璃制成的手機(jī)面板。
21.采用權(quán)利要求1-18任一權(quán)利要求所述的化學(xué)強(qiáng)化玻璃制成的PDA面板。
【文檔編號(hào)】C03C3/085GK103992032SQ201310331941
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】孫偉 申請(qǐng)人:成都光明光電股份有限公司