[发明专利]用于化学强化玻璃的双阶段离子交换

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年7月29日提交的美国临时申请第61/084,398号的优先权。

背景技术

本发明涉及玻璃的化学强化。更具体地说，本发明涉及离子交换过程在强化玻璃中的应用。再更具体地说，本发明涉及包括多个离子交换过程的方法。

近来确认了化学强化玻璃在手持装置如移动电话、媒体播放器和其它装置以及需要透明度、高强度和耐磨性的其它应用装置中的应用。

离子交换是从含较小离子(流出离子)的玻璃开始的化学强化过程，所述较小离子能够在升高的温度下在熔盐浴中与较大离子(交换离子)进行交换，即所述较大离子替换玻璃中的所述较小离子。玻璃表面紧密堆积的较大离子产生高压缩应力，其进而提供较高强度。

然而，在离子交换过程中，所述盐浴被交换出玻璃的较小流出离子(反荷离子)逐渐稀释。盐反荷离子浓度随在盐浴中进行离子交换的玻璃部分的体积或数量成比例地增大。尽管“新鲜”未使用的盐提供最高的抗压强度，随后每个离子交换轮次可增大交换出玻璃进入熔盐浴的较小离子的浓度。相反地，浴中提供较大离子的盐浓度减小。继续使用相同的浴会降低成品的压缩应力。根据离子交换生产量或在离子交换玻璃的压缩应力达到可接受的最小值时，通常通过替换至少一部分盐浴补偿所述浴的增强稀释。尽管这样的实践足以保持玻璃中的最小压缩应力，但它们会在生产中在化学强化玻璃的压缩应力中引起显著的可变性和恒定的循环波动。

在双阶段离子交换(DIOX)中，玻璃在第一“新鲜”盐浴中进行离子交换，之后在流出离子浓度稀释的第二盐浴中进行第二离子交换。该方法会损失玻璃表面的压缩应力。这在手持装置应用中是不可接受的，因为它不提供对表面划痕的保护作用，所述表面划痕由可在装置常规使用中遇到的接触力引起。

发明内容

本发明涉及一种化学强化玻璃的方法。所述方法包括使玻璃在第一浴中进行离子交换，之后将其浸没在第二浴中。所述第一浴用流出离子稀释，所述第二浴的流出离子浓度小于第一浴。所述方法在表面提供压缩应力，其足以抑制玻璃表面接触力引起的划痕，同时具有足够深的压缩层深从而可靠性高。

因此，本发明的一个方面提供一种强化玻璃的方法。所述方法包括在从玻璃表面向层深延伸的玻璃外部区域产生压缩应力，所述压缩应力足以抑制玻璃内的划痕和抑制表面接触力引起的表面划痕。所述压缩应力通过以下步骤产生：提供在外部区域内具有大量第一金属离子的玻璃；使玻璃外部区域中所述大量第一金属离子的第一部分在第一盐浴中与大量第二金属离子进行离子交换，其中所述第一盐浴用第一浓度的第一金属离子稀释；使玻璃外部区域中所述大量第一金属离子的第二部分在第二盐浴中与大量第二金属离子进行离子交换，其中所述第二盐浴的第一金属的第二浓度小于第一浓度。

本发明的第二方面提供一种强化玻璃的方法。所述方法包括以下步骤：提供玻璃，所述玻璃包含大量第一金属离子，各离子具有第一离子半径；将所述玻璃浸没在第一离子交换浴中，所述第一离子交换浴包括大量第二金属离子和第一浓度的第一金属离子，其中各第二金属离子具有第二离子半径，所述第二离子半径大于第一离子半径；在将所述玻璃浸没在第一离子交换浴中之后将所述玻璃浸没在第二离子交换浴中，所述第二离子交换浴包括大量第二金属离子和第二浓度的第一金属离子，其中所述第二浓度小于第一浓度，玻璃中所述大量第一金属离子的一部分被第二金属离子替换，以在玻璃表面区域产生压缩应力。

本发明的第三方面提供一种降低化学强化玻璃制品中压缩应力可变性的方法。所述方法包括以下步骤：提供玻璃制品，所述玻璃包含大量第一金属离子，各离子具有第一离子半径；将所述玻璃制品浸没在第一离子交换浴中，所述第一离子交换浴包括大量第二金属离子和第一浓度的第一金属离子，其中各第二金属离子具有第二离子半径，所述第二离子半径大于第一离子半径；在将所述玻璃浸没在第一离子交换浴中之后将所述玻璃制品浸没在第二离子交换浴中，所述第二离子交换浴包括大量第二金属离子和第二浓度的第一金属离子，其中所述第二浓度小于第一浓度。玻璃中所述大量第一金属离子的一部分被第二金属离子替换，以通过在玻璃制品表面区域产生大于预定压缩应力的压缩应力来强化所述玻璃制品。

从以下详细描述、附图和权利要求书能清楚地了解本发明的这些和其它方面、优点和显著特征。

附图简要说明

图1是压缩应力与用NaNO₃稀释初级和次级离子交换盐浴的关系图；

图2是破坏性四点弯曲表面应力测定与用NaNO₃稀释初级和次级离子交换盐浴的关系图；