[发明专利]用于化学钢化的铝硅酸盐玻璃和玻璃陶瓷

说明书

技术领域

本发明涉及适于化学钢化的铝硅酸盐玻璃，进一步涉及适于化学钢化的包含Li₂O和P₂O₅的铝硅酸盐玻璃。本发明还涉及利用该化学钢化玻璃制得的制品。本发明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术。另外，本发明还涉及由铝硅酸盐玻璃经进一步热处理获得的玻璃陶瓷。

背景技术

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。对于一些应用场合，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强度并且要耐刮擦。传统的钠钙玻璃不能满足这些要求，例如对于高强度和耐刮擦性的要求。

铝硅酸盐玻璃具有高强度、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、工业显示器)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，如冰箱和厨具等。

以上应用需要高强度、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换工艺实现这样高的强度，这种过程被称为化学钢化。化学钢化能增强玻璃强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。离子交换工艺的简单原理是在350-490℃左右的盐液中，例如NaNO₃、KNO₃或NaNO₃和KNO₃的混合物中进行离子交换，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换，比如玻璃中的钠离子与溶液中的钾离子交换，利用碱离子体积上的差异产生表面压应力。特别适合0.5-4mm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。玻璃的强度可用CS(表面压应力)和DoL(表面应力层深度)表征。实际应用中需要高的CS和高的DoL。通过合理控制DoL(表面应力层深度)和CS(表面压应力)，可以获得具有较高强度的玻璃。DoL(表面应力层深度)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力层。根据离子扩散定律，压应力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，表面压应力就越小，中心张应力也越大。当钢化时间过长时，因为中心张应力的变大和玻璃结构松弛会造成表面压应力降低，玻璃的强度反而会降低。因此，存在一个最佳钢化时间，达到表面压应力，钢化层深度和中心张应力的平衡，从而得到最佳强度的玻璃。最佳钢化时间随玻璃成分，盐浴成分和钢化温度而变化。

离子交换后，玻璃表面形成压应力，玻璃强度因而提高。为了平衡玻璃表面的压应力，在玻璃中心会形成张应力。过高的张应力会增加玻璃破碎的风险。弯曲的玻璃部件在受到外力作用时对于中心张应力更为敏感。因此，中心张应力必须低于50MPa，优选为30MPa，更优选低于20MPa，最优选低于15MPa。表面压应力必须大于600MPa，优选大于700MPa，最优选大于800MPa。