[发明专利]一种玻璃用组合物、低脆性化学强化玻璃及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及玻璃领域，具体地，涉及一种玻璃用组合物、低脆性化学强 化玻璃及其制备方法和应用。

背景技术

在平面显示领域，最近几年触摸屏产品市场发展迅速，目前的主流产品 是电容式触摸屏，其主要部件是表面起保护作用的玻璃基板。随着显示技术 及触控技术的发展，市场对于玻璃基板的要求日益提高。由于触摸屏应用越 来越广泛，大中小尺寸的设备几乎都具有触摸屏，所以触摸屏的最主要性能 是要具备优秀的机械性能、抗刮和抗划伤能力，而此性能是由玻璃的强度体 现出来的，所以提高玻璃自身的强度是关键。玻璃强度除了受钢化影响之外， 本身的料方组成起到关键的决定作用。市面上主流的保护盖板玻璃采用普通 钠钙硅酸盐体系或高碱高铝硅酸盐体系进行化学钢化达到增强的目的，较新 型的盖板玻璃采用无色蓝宝石切片作为保护盖板。然而上述体系均存在较大 缺陷。

普通钠钙玻璃进行离子交换后，无法达到足够的应力层深度和较高的表 面压缩应力，抵抗机械变形的能力(硬度)较弱，抗刮擦能力较差；高碱高 铝硅酸盐玻璃引入高含量Al₂O₃之后加速了离子交换的进程和深度，抗刮擦 能力得以提高，但是Al₂O₃替代SiO₂之后降低了玻璃结构的开放程度，具有 刚性结构，可抵抗形变，导致断裂韧性减小、脆性增加、手机等手持显示装 置碎屏事件时有发生。另一方面，高含量Al₂O₃的引入快速增加了玻璃的熔 化难度，粘度为200泊时的温度往往超过1550℃，甚至1600℃，甚至1650℃ 以及更高，工业制造难度较大；蓝宝石是硬度仅次于钻石的物质，其莫氏硬 度为9，抗刮擦能力优于强化玻璃，但是脆性过大，遇到冲击容易破碎，目 前只是在摄像头保护玻璃等小尺寸器件表面使用，智能手机屏幕等大尺寸保 护表面存在易碎的风险，尚无推广应用。

在柔性显示领域，柔性显示器件主要由基板、中间显示介质、封装三层 组成。基板衬底材料可由玻璃、有机聚合物、金属等材料制得，目前来说各 有优劣，尚无完美解决强度与韧性统一的方案。与柔性材料如聚合物与金属 箔相比，厚度<0.1mm的超薄玻璃是一种配方高度优化的玻璃材料，其阻隔 水汽和氧气的性能优异，具有优良的耐化性和机械性能，还具有较低的热膨 胀和较高的热稳定性。它最大的优势是在于镀膜技术的成熟性和兼容性。目 前主流AMLCD、AMOLED均在玻璃基板上制作TFT，相关技术、设备和 产业链已非常成熟，兼容性非常理想，必将大大降低生产成本，但是作为脆 性材料的超薄玻璃，降低其脆性是料方层面需要突破的问题之一。在柔性封 装盖板材料方面，可化学钢化的低脆性超薄柔性盖板玻璃在强度、气密性等 方面远胜聚合物材料，但是同样存在玻璃材料无法避免的脆性问题，因此在 料方层面降低脆性、提高柔韧性仍是重要课题之一。

由于共价键的方向性和饱和性，玻璃在受到外力时，仅能产生纳米级别 的塑性变形区域，冲击力是在很小的面积上分布，从而产生高应力，超过玻 璃强度极限，使玻璃破裂，此即玻璃脆性所致。玻璃的断裂韧性K_IC是指其 抵抗裂纹扩展的能力。裂纹的扩展与玻璃表面裂纹尖端集中有关，取决于玻 璃的断裂能、裂纹尺寸和外应力的大小。K_IC达到某一临界值，裂纹发生失 稳扩展，导致脆性断裂。线弹性断裂力学中，断裂韧性K_IC可用下式表示：

K_IC＝Yσ(πc)^1/2＝2(γE)^1/2

Y为常数；σ为外加应力；c为裂纹半长度；γ为断裂能；E为杨氏模量。 I型指施加于裂纹界面相垂直方向的张应力。

脆性值B_L为维氏硬度Hv与断裂韧性K_IC的比值，即：

B_L＝Hv/K_IC