[发明专利]化学性预加应力的高刮划容忍度玻璃元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可经由离子交换来化学性地预加应力的、具有非常良好的刮划性能的高强度覆盖玻璃。该玻璃可以用作电子仪器，例如智能手机、平板电脑、导航仪等中的防护玻璃（Cover）。

背景技术

智能手机、平板电脑、导航仪等现今通常经由触摸屏幕操作。作为显示器和传感器的防护可以使用薄的、离子交换（化学性预加应力的）玻璃。玻璃的化学性预应力通过以更大的同族物（例如K⁺）交换小的碱金属离子（例如Na⁺）实现。在这种情况下，在玻璃中引入了应力分布。

在玻璃的近表面区域在离子交换之后存在压应力区，在内部区域存在拉应力区。通过离子交换获得的压应力区玻璃表面中导致玻璃的弯曲强度强烈升高，这还可以通过断裂力学测试（例如4点弯曲、落球试验、双环检测）令人印象深刻地被证明。当通过离子交换获得了足够高的表面中的压应力（大于700MPa）和交换深度（大于25μm）时，是有利的。以下，对于在玻璃表面中的压应力（Compressive Stress）使用名称“CS”，对于碱金属离子的交换深度使用名称“DoL”（Depth of Layer）。用于预应力的参数CS和DoL可以根据光弹法测量。例如，日本的Luceo有限公司的测量仪器FSM-6000是适用于此的。

由碱金属铝硅酸盐系统制成的玻璃对此表现了特别良好的可离子交换性和耐抗能力。现在，使用这种类型的不同玻璃作为用于防护电子仪器的触摸屏幕的覆盖玻璃（Cover）。玻璃的组成示出了对玻璃的预应力参数CS（Compressive Stress=在玻璃表面中的压应力）、以及通过离子交换获得的DoL（Depth of Layer=交换深度）的强烈的影响。

玻璃的刮划容忍度在很大程度上取决于预应力分布，但是也取决于玻璃组成。在实验室测试中，为了研究根据本发明的玻璃以及对比示例，通过金刚石压头（例如努氏（Knoop））以规定的力（0.1到10N，特别优选4N）和行进速度（0.05mm/s到1mm/s，特别优选0.4mm/s）在玻璃表面产生刮划。通过实验室装置产生的刮划与在日常使用中生成的“真正”刮划相当。这可以通过多个使用过的智能手机的覆盖玻璃的刮划研究证明。压头的金刚石在每种情况下都在玻璃中产生了刮划，因而没有玻璃表现得对刮划完全“抵抗”。因此，针对根据本发明的玻璃与例如在WO2009/070237A1中相区别地，不使用术语“刮划耐受度”（“scratch resistance”），而是改进性地使用术语“刮划容忍度”（“scratch tolerance”）。

可以观察到下列损伤：

a类）产生了视觉上相当不显眼的刮划。在玻璃中的损伤局限于划痕。不生成进一步的额外裂纹（既没有横向也没有垂直地进入材料中），并且也不生成贝壳状凸起（Ausmuschelung）或崩裂（Absplitterung）。在刮划负荷为4N时，划痕的宽度典型地为小于20μm，损伤深度为小于7μm。这种刮划被视为“良性的”，根据刮划测试具有这种损伤模式的玻璃被称为“刮划容忍度的”。

b类）刮划表现出了明显的贝壳状凸起和/或崩裂（由横向裂纹生成），并且由此在视觉上是显眼的。然而不存在相对表面垂直地或者相对表面以大角度进入到材料中的、以高程度降低断裂强度的裂纹。在刮划负荷为4N时，划痕的宽度至少为100μm、典型地为约200μm，损伤深度为小于7μm。

c类）刮划是视觉上不显眼的，没有表现出横向裂纹或者贝壳状凸起，然而形成进入到玻璃中的裂纹。通过后者强烈地减低了玻璃的断裂强度。在刮划负荷为4N时，划痕的宽度典型地为小于20μm，损伤深度为小于20μm。

d类）刮划表现出了明显的贝壳状凸起和/或崩裂（由横向裂纹生成），并且由此在视觉上是显眼的。额外地，存在垂直地进入到材料中的、以高程度降低断裂强度的裂纹。在刮划负荷为4N时，划痕的宽度至少为100μm、典型地为约200μm，损伤深度为小于20μm。

在针对本发明的实验的范畴中，发现了损伤行为与预应力分布的强烈相关性。没有化学性预加应力的玻璃或者带有小的DoL（<20μm）的玻璃经常表现出c类）或d类）刮划。在具有高交换深度（>25μm）的玻璃中经常出现b类）损伤。

为了保障典型地拥有在0.4mm和1.1mm之间的厚度的薄覆盖玻璃的应用中所需的强度特性，除了大于700MPa的在表面中的压应力之外还需要大于25μm的交换深度。然而在这些交换深度的情况下，在刮划性负荷的情况下经常出现显眼的刮划，其归因于沿着划痕的贝壳状凸起。