用于離子交換的鋁硅酸鹽玻璃的制作方法

用于離子交換的鋁硅酸鹽玻璃的制作方法
【專利摘要】可用于通過離子交換生產化學強化玻璃板的玻璃組合物。對玻璃組合物進行選擇，以同時促進高壓縮應力和深的層深度，或者，降低對玻璃進行離子交換以產生預定的壓縮應力和層深度所需的時間。
【專利說明】用于離子交換的鋁硅酸鹽玻璃
[0001] 相關申請交叉參考
[0002] 本申請根據35U.S.C. §120,要求2012年2月29日提交的美國申請系列第 13/408169號的優先權，本文以該申請為基礎并將其全文通過引用結合于此。
[0003] 背景
[0004] 本發明涉及可離子交換玻璃。更具體地，本發明涉及可離子交換玻璃，所述可離子 交換玻璃在離子交換后具有處于至少約IGPa的壓縮應力的表面層。
[0005] 離子交換過程用于通過用來自鹽浴的較大堿性離子（例如K+)替換玻璃中的較小 堿性離子（例如Na+)，在玻璃表面產生壓縮應力，來強化玻璃。由于玻璃通常在張力下失效， 所以在表面處產生的壓縮應力改善了玻璃強度。從而發現將離子交換玻璃用于各種應用， 例如觸摸屏裝置、手持式電子裝置，如交流和娛樂裝置、以及建筑和汽車部件等。
[0006] 當通過離子交換強化時，應該在表面處和離子交換層的深的深度處同時為玻璃提 供高壓縮應力。難以通過離子交換對鈉鈣玻璃進行化學強化，因為它們需要長的鹽浴處理 時間以通過離子交換實現合理的強度。


【發明內容】

[0007] 本發明提供了可用于通過離子交換產生化學強化玻璃板的玻璃組合物。對玻璃組 合物進行選擇，以同時促進高壓縮應力和深的層深度，或者，降低對玻璃進行離子交換以產 生預定的壓縮應力和層深度所需的時間。
[0008] 因此，本發明一個方面是提供一種堿性鋁硅酸鹽玻璃。所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包 含約14-20摩爾％的Al 2O3和約12-20摩爾％的選自下組的至少一種堿金屬氧化物R2O: Li20、Na20、K20、Rb2O和Cs 2O,其中所述堿性鋁硅酸鹽玻璃是可離子交換的。
[0009] 本發明的第二方面提供一種堿性鋁硅酸鹽玻璃。所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含約 55-70摩爾％的SiO2^ 14-20摩爾％的Al 203;0至約10摩爾％的B2O3; 12至約20摩爾％ 的R2〇,其中R2O選自下組：Li20、Na20、K 20、Rb2O和Cs2O ;0至約10摩爾％的MgO ;以及0至 約10摩爾％的211〇。所述堿性鋁硅酸鹽玻璃是離子交換的，并且具有從堿性鋁硅酸鹽玻璃 表面延伸進入到堿性鋁硅酸鹽玻璃的層深度的壓縮層。壓縮層處于至少IGPa的壓縮應力。 [0010] 從以下詳細描述、附圖和所附權利要求書能明顯地看出本發明的上述及其他方 面、優點和顯著特征。
[0011] 附圖簡要說明
[0012] 圖1是壓縮應力與[Al2O3]-[R2O]的關系圖；
[0013] 圖2是層深度（DOL)與[Al2O3]-[Na 2O]的關系圖；
[0014] 圖3是對于50 μ m的固定的層深度，壓縮應力（CS)與[MgO] / ([MgO] + [CaO])的比 例的關系圖；
[0015] 圖4是本文所述硼鋁硅酸鹽系列玻璃的擴散系數DNa_K與組成的關系圖；
[0016] 圖5是等溫擴散和鐵氧化還原比的組成依從性關系圖；
[0017] 圖6是不含Fe和含Fe的硼鋁硅酸鹽玻璃的壓縮應力（CS)與組成的關系圖；
[0018] 圖7示出了表6中的不含鐵的硼鋁硅酸鹽玻璃A117. 5進行實驗的負載和滲透深 度條件；以及
[0019] 圖8是對于含鐵和不含鐵的硼鋁硅酸鹽玻璃在98mN負載力下的納米硬度) 的組成依從性關系圖。
[0020] 發明詳述
[0021] 在以下描述中，相同的附圖標記表示附圖所示的若干視圖中類似或相應的部分。 還應理解，除非另外說明，否則，術語如"頂部"、"底部"、"向外"、"向內"等是方便用語，不 應視為限制性用語。此外，每當將一個組描述為包含一組要素中的至少一個要素和它們的 組合時，應將其理解為所述組可以單個要素或相互組合的形式包含任何數量的這些所列要 素，或者主要由它們組成，或者由它們組成。類似地，每當將一個組描述為由一組要素中的 至少一個要素或它們的組合組成時，應將其理解為所述組可以單個要素或相互組合的形式 由任何數量的這些所列要素組成。除非另外說明，列舉的數值范圍同時包括所述范圍的上 限和下限，以及所述上限和下限之間的任意范圍。除非另外說明，否則，本文所用的不定冠 詞"一個"或"一種"及其相應的定冠詞"該"表示"至少一（個/種）"，或者"一（個/種） 或多（個/種）"。除非另有說明，否則，本文所用術語"玻璃"指的是堿性鋁硅酸鹽玻璃和 /或硼鋁硅酸鹽玻璃。
[0022] 從總體上參見附圖，并具體參見圖1，應理解舉例說明是為了描述本發明的具體實 施方式的，這些舉例說明不是用來限制本發明的說明書或所附權利要求書的。為了清楚和 簡明起見，附圖不一定按比例繪制，所示的附圖的某些特征和某些視圖可能按比例放大顯 示或以示意性方式顯示。
[0023] 本發明涉及能夠或者已經通過離子交換進行強化的可離子交換堿性鋁硅酸鹽玻 璃的一般范圍。離子交換過程用于通過用來自鹽浴的較大堿性離子（例如K+)替換玻璃中 的較小堿性離子（例如Na+)，在玻璃表面產生壓縮應力。由于玻璃通常在張力下失效，所以 在表面處產生的壓縮應力改善了玻璃強度。從而發現將離子交換玻璃用于各種應用，例如 觸摸屏裝置、手持式電子裝置，如交流和娛樂裝置、以及建筑和汽車部件等。
[0024] 可離子交換玻璃組合物應該被設計成使得同時提供在表面處高的壓縮應力（CS) 和深的離子交換層的深度（層深度，或者"DOL"）。難以通過離子交換對鈉鈣玻璃進行化學 強化，因為它們需要長的鹽浴處理時間以通過此類交換實現合理的強度。
[0025] 本文所述的各種玻璃組合物可用于通過離子交換生產化學強化的玻璃板。對這些 玻璃組合物進行選擇，以同時促進高壓縮應力和深的層深度，或者降低離子交換時間。本 文所述的玻璃組合物不一定是可熔合成形的或者可下拉成形的（例如熔合拉制或狹縫拉 制），并且可以使用本領域已知的其他成形方法（例如浮法玻璃工藝）生產。
[0026] 本文所述的玻璃是可離子交換堿性鋁硅酸鹽玻璃，其包含約14-20摩爾％的Al2O 3 和約12-20摩爾％的選自下組的至少一種堿金屬氧化物R2O :Li20、Na20、K20、Rb2O和Cs 20。 在一些實施方式中，所述至少一種堿金屬氧化物包括Na2O,并且Al2O 3 (摩爾％ ) -Na2O (摩 爾％ )彡約-4摩爾％。
[0027] 在一些實施方式中，本文所述的玻璃當用離子交換強化后，具有處于壓縮應力的 區域（壓縮層CS)，該區域從玻璃表面延伸進入玻璃體中到達層深度（DOL)。強化的玻璃的 壓縮應力至少約lGPa。在一些實施方式中，壓縮應力至少約IGPa并且Al 2O3(摩爾％ )- Na2O(摩爾％ )彡約-4摩爾％。
[0028] 在一些實施方式中，玻璃包含：約55-70摩爾％的SiO2^ 14-20摩爾％的Al 203;0 至約10摩爾％的B203;0至約20摩爾％的Li 20 ;0至約20摩爾％的Na2O ;0至約8摩爾％的 K2O ;0至約10摩爾％的MgO;以及0至約10摩爾％的211〇。在特定實施方式中，12摩爾％ 彡 Li2CHNa2CHK2O 彡 20 摩爾 ％。
[0029] 在一個方面，堿性鋁硅酸鹽玻璃是鋁硅酸鈉玻璃，其還包含不同類型的二價陽離 子氧化物R0,本文也稱作"二價金屬氧化物"或者簡稱為"二價氧化物"，其中氧化硅與氧化 鋁的比例（[Si0 2]/[A1203])不是固定的，而是可以變化的。在一個實施方式中，這些二價金 屬氧化物RO包括]\%0、211〇、0 &0、51〇和8&0。表1、2和3列出了具有通式（761)摩爾％的 Si02、x摩爾％的A1203、16摩爾％的Na2O以及8摩爾％的RO的此類組合物的非限制性例子 以及各個組成相關的性質，其中，X = 〇、2. 7、5. 3、8、10. 7、13. 3、16、18. 7、21. 3和24,其中R 分別是，R = Mg、R = Zn以及R = Ca。表5列出了此類組合物的非限制性例子以及與此類 組成相關的性質，其中（76-x)Si02 -XAl2O3- 16Na20-8R0,單位為摩爾％，其中X = 0、8、16 和24, R = Sr和Ba。對于X = 16,除了具有K2O取代Na2O和具有較高SiO2含量的玻璃之 夕卜，還研宄了 [Mg0]/[Ca0]比例等于0. 25、0. 67、1.5和4的四種玻璃。在一些實施方式中， 這些玻璃不含有（即含0摩爾％ )硼和含硼化合物，例如B203。
[0030] 在其他實施方式中，本文所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃是硼鋁硅酸鹽玻璃，其含有高 至約10摩爾％的B 2O3和變化的氧化硅與氧化鋁的比例。在一些實施方式中，這些硼鋁硅 酸鹽玻璃可以不含（即含〇摩爾％ )二價金屬氧化物R〇(例如上文所述的那些）。表6列 出了具有如下標稱組成的此類硼鋁硅酸鹽玻璃的非限制性例子以及相關性質：(80-y)摩 爾％的Si0 2、y摩爾％的Al203、15摩爾％的似20以及5摩爾％的氏0 3，其中y = 0、1、2. 5、 5、7· 5、10、12· 5、15、17· 5 和 20,單位為摩爾％。
[0031] 在本文所述的玻璃組合物中，SiO2作為主要的形成玻璃的氧化物。SiO 2的濃度應 該足夠高，從而為玻璃提供適用于觸摸應用而言足夠高的化學耐用性。但是，純SiO2或者 高410 2玻璃的熔融溫度（即，200泊溫度）對于實踐大多數的制造過程而言太高，因此可 能出現諸如小氣泡之類的缺陷。此外，當相比于除了氧化硼（B 2O3)之外的每種氧化物，SiO2 降低了通過離子交換產生的壓縮應力。
[0032] 氧化鋁（Al2O3)也可作為上文所述的玻璃中的玻璃成形劑。類似于SiO 2，氧化鋁 通常增加熔體的粘度，并且玻璃中Al2O3相對于堿金屬和堿土金屬的增加通常導致改善的 耐用性。鋁離子的結構角色取決于玻璃組成。當堿金屬氧化物的濃度[R 2O]大于氧化鋁 的濃度[Al2O3]，所有的鋁主要在四面體配位存在，堿性離子起了電荷平衡的作用。對于 [A1 203]>[R20]，沒有足量的堿金屬氧化物來對四面體配位中所有的鋁進行電荷平衡。但是， 二價陽離子氧化物（RO)也可以變化的程度對四面體鋁進行電荷平衡。但是，鈣、鍶和鋇全 部主要地以相當于二價堿性離子的方式起作用，高場強度鎂和鋅離子沒有完全地使得四面 體配位中的鋁電荷平衡，導致形成五倍和六倍配位的鋁。Al 2O3通常在可離子交換玻璃中起 重要的作用，因為其提供或實現強網絡骨架（即高應變點），同時允許堿性離子的較快速的 擴散率。如圖1中對于表1-5中所列出的玻璃組合物在工業級的謂0 3在410°C下進行8小 時的離子交換之后的壓縮應力與[A1203]-[R 20]的關系圖所證實，四面體鋁的存在有助于高 壓縮應力。如圖1所示，隨著氧化鋁含量的增加和二價陽離子的尺寸的下降，壓縮應力CS 通常增加。在過鋁質狀態下，具有較大的二價陽離子是有利的。最可能的是，這些陽離子起 了對四面體鋁進行電荷平衡的作用，而MgO和ZnO中的較小的二價陽離子不具有相同的程 度。但是，在具有過量鎂和鋅的玻璃中，當[A1 203]>[R20]時，對于給定的離子交換時間，加 入氧化鋁降低了壓縮層的深度。
[0033] 雖然B2O3也是一種形成玻璃的氧化物，但是其可用于降低粘度和液相線溫度。通 常來說，B 2O3增加1摩爾％使得同等粘度的溫度下降10-14?，這取決于玻璃組成的細節和 所討論的粘度。但是，每摩爾％的B 2O3能使得液相線溫度下降18-22?，從而使得液相線溫 度下降的效果比粘度下降的效果更快，因而增加了液相線粘度。此外，B 2O3對于基底玻璃的 固有耐損傷性具有積極作用。但是，B2O 3對于離子交換性能具有負面作用，降低了擴散率和 壓縮應力。例如用SiO2替代B2O 3增加了離子交換性能，但是同時增加了熔體粘度。
[0034] 堿金屬氧化物（Li20、Na2O和K2O)對于實現低熔融溫度和低液相線溫度起了助劑 的作用。但是，加入堿金屬氧化物急劇地增加了熱膨脹系數（CTE)和降低了化學耐用性。
[0035] 存在小的堿金屬氧化物例如Li2O和/或Na2O對于與較大堿性離子（例如K+)進行 交換以從鹽浴進行離子交換并從而在玻璃中實現所需水平的表面壓縮應力是必須的。通常 可以進行三種類型的離子交換：用Na +交換Li+，其導致深的層深度但是低的壓縮應力；用K+ 交換Li+，其導致小的層深度但是較大的壓縮應力；以及用K+交換Na +，其導致中等的層深度 和壓縮應力。足夠高濃度的小的堿金屬氧化物對于在玻璃中產生大的壓縮應力是必須的， 因為壓縮應力與離子交換出玻璃的堿金屬離子的數量成正比。存在少量的K 2O通常改善了 擴散率并降低液相線溫度，但是增加 CTE。
[0036] 二價陽離子氧化物R0,例如但不限于，堿土氧化物和ZnO,還改善了玻璃的熔融 性。但是，對于離子交換性能，二價陽離子的存在起了降低堿金屬離子迀移率的作用。對 于離子交換性能的作用對于較大二價陽離子（例如Sr 2+和Ba 2+)表現尤為明顯，如圖2所 示，其是對于具有如下組成的離子交換的玻璃的層深度（DOL)與[Al 203]-[Na20]的關系圖： (76-x)摩爾％的Si0 2、X摩爾％的Al203、16摩爾％的Na2O和8摩爾％的R0,其中X = 0、 2.7、5.3、8、10.7、13.3、16、18.7、21.3,24，其中1? = ]\%(表1)、211(表2)和〇&(表3)，以及 X = 0、8、16和24,其中R = Sr和Ba (表5)。離子交換在410°C的工業等級的KNO3的熔鹽 浴中進行8小時。如圖2所示，隨著氧化鋁含量的增加，DOL通常下降，尤其是對于在過鋁 質狀態下含有MgO和ZnO的玻璃。此外，如圖1所示，較小的二價陽離子氧化物通常比較大 的二價陽離子氧化物更有助于壓縮應力。在本文所述的玻璃中，特別地將SrO和BaO的濃 度保持在最小。
[0037] MgO和ZnO對于改善應力松弛同時使得對于堿金屬擴散率的負面作用最小化具 有許多優勢。但是，當玻璃中的MgO和ZnO的量高時，這些氧化物傾向于形成鎂橄欖石 (Mg 2SiO4)和鋅尖晶石（ZnAl2O4)或者硅酸鋅（Zn 2SiO4)，從而使得液相線溫度隨著MgO和ZnO 含量非常陡峭地上升。此外，對于兩種堿土氧化物的混合物可能具有一些優勢，如圖3所 示，其是對于具有60摩爾％的Si02、16摩爾％的A1 203、16摩爾％的Na2O以及8摩爾％的RO 的離子交換的玻璃，對于50μπι的固定的層深度，壓縮應力（CS)與[Mg0V([Mg0] + [Ca0]) 比例的關系圖。玻璃在410°C的工業等級的1^03的熔鹽浴中進行不同持續時間的離子交換。 如圖3所示，隨著氧化鎂含量的增加，在50 μ m處的壓縮應力CS通常增加，但是在高MgO狀 態下的CaO和MgO的混合物具有優勢。
[0038] 除了上文所述的氧化物之外，也可以向本文所述的玻璃中加入其他氧化物，以消 除和降低玻璃中的缺陷。例如，可以在玻璃中包含Sn0 2、As203或者Sb 203等作為澄清劑。增 加 Sn02、As2O3或者Sb 203的濃度通常改善了澄清能力，但是由于它們是相當昂貴的原材料， 希望加入不超過驅動氣態內含物至適當的低水平所需的量。
[0039] 硅酸鹽熔體中主要的成形/穩定化陽離子和分子包括Si4+、Al、B、Fe 3+、Ti和P等。 主要的網絡改性陽離子和分子包括Na+、K+、Ca 2+、Mg2+、Fe2+、F_、Cim H 20,雖然它們在限定結 構中的角色通常是有爭議的。作為Fe3+(三價鐵）的鐵可以是配位數為IV或V的網絡成形 劑和/或具有配位V或VI的網絡改性劑，這取決于Fe 3+/Σ Fe的比例，而Fe2+(亞）鐵通常 被認為是網絡改性劑。由于三價鐵和亞鐵離子都可以存在于液體中，鐵的氧化狀態的改變 可以顯著地影響它們的聚合程度。因此，取決于非橋聯氧/四面體（(ΝΒ0)/Τ)的數量的任 意熔體性質也會受到Fe 3YSFe的比例的影響。在環境壓力下，在五倍配位中可能存在顯著 部分的Si和Al。
[0040] 為了探宄鈉在硼鋁硅酸鹽玻璃所占據的不同結構角色，設計了十種具有變化的 [Al2O 3]/[SiO2]比例的Na2O-B2O3-Al 2O3-SiO2玻璃，以得到鈉行為的不同狀態。還制備了十種 額外的玻璃，其具有相同的基礎組成，但是摻雜了 1摩爾％的Fe2O3，以研宄Fe2O3對于離子 交換性質的作用。這些玻璃的組成如下：x摩爾％的六1 203、5摩爾％的氏03、（80-x)摩爾％ 的 SiO2以及 15 摩爾 ％ 的 Na2O，其中 X = 0、1、2· 5、5、7· 5、10、12. 5、15、17. 5 和 20,分析組成 略不同于批料組成。保留了如表6所示的基于XAl2O3的原始命名規則。作為該研宄的結 果，闡明并量化了鈉對于網絡成形陽離子（Si、B和Al)的不同角色/作用。當Na〈Al時，所 有的鈉用于電荷補償[AlO 4]和[AlO5]組，它們也存在于玻璃中，并由于玻璃中不足量的鈉 而起了電荷補償劑的作用。當Na>Al時，鈉首先電荷補償[A10J，并且因而所有的Al都是 四配位且不受其他組成變化的影響。過量的鈉可用于將[BO 3]轉化為[BO4]，或者在Si或B 上產生非橋聯氧（NBO)，這些機理之間存在競爭。
[0041] 進行離子交換實驗以獲得本文所述的玻璃中的Na+和K+之間的有效互擴散系數 八，,<，以及壓縮應力（CS)。通過將拋光的25謹X 25謹X 1謹的玻璃樣品浸入410°C的工業 級的KNO3的熔鹽浴中8小時，來進行離子交換。在離子交換后，采用FSM-6000表面應力計 (FSM)來測量鉀離子的滲透深度。用K+離子交換Na+使得玻璃表面的折射率高于內部，即 表面起了波導的作用。這用于FSM設備來測量折射率曲線的飽和深度，這對應于鉀的擴散 深度。在每個樣品上進行總共八次FSM測量（每個面采用四個90°轉動）。
[0042] 這些離子交換實驗的結果揭示了對于含鐵和不含鐵玻璃，隨著[Si02]/[A1 203]或 [Si02]/^[0xi]的增加，堿金屬擴散率的下降，其中 Σ[0χ?] = [Si02] + [Al203] + [B203] + [Fe 203] + [As203]。圖4是本文所述硼鋁硅酸鹽系列玻璃的擴散系數DNa_#組成的關系圖。圖4 中的數據顯示了隨著[Si0 2]/[A1203]比例的變化，鈉和硼的作用發生變化。該趨勢可歸因于 兩個因素。首先，鈉在影響鈉擴散的結構作用取決于[Si0 2]/[A1203]比例。對于高的Al2O3 含量，Na+用于四倍鋁物質的電荷補償。在此情況下，Na +的擴散較快，如圖5所示，其是等溫 擴散率（K+與Na +的有效互擴散系數彳A^k >，由410°C的離子交換實驗確定）和鐵氧化還 原狀態（由57Fe M5ssbauer光譜確定）的組成依從性關系圖。這種Na的快速擴散速率可 能是因為Na+并不是玻璃網絡的剛性部分。在低Al 203組成區域中，一些鈉離子產生與Si-O 或者B-O結合的NBO,這些鈉離子的移動性較差。其次，硼物質和化學組成之間的差異導致 玻璃網絡的原子排列的差異。隨著[Si02]/[A1203]比例的增加，網絡變得更致密排列，這有 助于堿金屬擴散性的下降。圖5還揭示了不含鐵的玻璃的堿金屬擴散率大于含鐵玻璃。此 夕卜，不含鐵和含鐵玻璃之間的堿金屬擴散率的差異隨著[Si0 2]/[A1203]比例的增加而下降， 同時，[Fe3+]/[Fe], &比例增加（參見圖5的第二y軸）。因此，對于堿金屬擴散率，Fe2+是 比Fe 3+更大的障礙。換言之，當鐵作為Fe3+存在時，堿金屬擴散率幾乎或者沒有下降。鐵 對于堿金屬擴散率的影響可歸因于兩個因素。首先，在用于AKV和BO ^單元的電荷補償 的陽離子之間存在競爭。顯示，Fe2+可以電荷補償鋁硅酸鹽玻璃中的AlO4^單元，即使堿金 屬離子是比Fe 2+更高效的電荷補償。因此，可能的是，一些Fe2+離子可以與Na+離子競爭對 AKV(以及可能的還有BO4O進行電荷補償，這會導致一些鈉離子在四面體硅或三角體硼上 產生ΝΒ0。根據上面的討論，這會降低堿金屬擴散率。其次，較慢速移動的二價陽離子的存 在降低了快速移動的單價堿性陽離子的迀移率。Fe 2+離子在玻璃網絡中起了網絡改性劑的 作用，并且因此阻擋了快速移動的Na+離子的擴散路徑（類似于堿土離子對于堿金屬擴散 率的影響）。另一方面，Fe 3+離子在網絡中起的更多的是形成網絡的作用，并且因此沒有占 據Na+離子用于擴散的位點。
[0043] 圖6是不含Fe和含Fe的硼鋁硅酸鹽玻璃的壓縮應力（CS)與組成 ([Al203]_[Na 20])的關系圖。在經退火的樣品上通過FSM測量CS，所述經退火的樣品在 410°C的工業級KNO3鹽浴的熔鹽浴中進行8小時的化學強化。如圖6所示，發現通過離子 交換產生的壓縮應力隨著硼鋁硅酸鹽玻璃中的Al 2O3濃度的增加而單調增加。該發現與上 文所述的具有不同二價陽離子的鋁硅酸鹽鈉玻璃是一致的。還發現含鐵玻璃通常具有比相 應的不含鐵玻璃高的CS，特別是在過堿性狀態下。
[0044] 此外，對于各種組成，還在本文所述的一些玻璃上進行了采用納米壓痕技術的八 個硬度測量。表6中報道的硬度值是由598-998nm的壓痕深度計算的。圖7是樣品A117. 5 上負載和進行實驗的滲透深度條件（列于表6中）的關系圖。圖8所示是對于含鐵和不含 鐵的硼鋁硅酸鹽玻璃在98mN負載力下的納米硬度（H wt)的組成依從性關系圖。圖8中的 灰色和黑色固體標記分別表示離子交換之前和之后的玻璃，其在410°C的工業級KNO 3熔鹽 浴中進行8小時離子交換。納米壓痕硬度技術沒有顯示出不含鐵和含鐵玻璃的大的差異， 無論是在410°C的KNO 3鹽浴中進行8小時的化學強化之前或之后。在一些實施方式中，本 文所述的玻璃在離子交換后具有至少約7GPa的納米硬度。但是，相比于沒有化學強化表面 的玻璃，經離子交換的過鋁質（Al>Na)玻璃最終元件展現出約I. 5GPa的納米硬度的系統增 加。相比于沒有化學強化表面的玻璃，過堿性（AKNa)離子交換最終元件也展現出納米硬 度的增加，但是差異僅僅約為0. 5GPa。這可能是由于這些過堿性組成產生的較低壓縮應力 所導致的（圖6)。
[0045] 雖然為了說明的目的給出了典型的實施方式，但是前面的描述不應被認為是對本 說明書或所附權利要求書的范圍的限制。因此，在不偏離本說明書或者所附權利要求書的 精神和范圍的情況下，本領域的技術人員可想到各種改進、修改和替換形式。
[0046] 表1.含MgO的可離子交換玻璃組合物的例子。退火樣品在410°C的工業級KNO3 中處理16小時所得到的壓縮應力（CS)和層深度（DOL)。
[0047]

【權利要求】
1. 一種堿性鋁硅酸鹽玻璃，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含約14-20摩爾％的A1 203和約 12-20摩爾％的選自下組的至少一種堿金屬氧化物R20 :Li20、Na20、K20、Rb20和Cs 20,其中所 述堿性鋁硅酸鹽玻璃是可離子交換的。
2. 如權利要求1所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述至少一種堿金屬氧化物 R2〇包括Na20,并且A1203 (摩爾％ ) - Na20 (摩爾％ )彡-4摩爾％。
3. 如權利要求1所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含： 約55至70摩爾％的5102;約14-20摩爾％的A1 203;0至約10摩爾％的B 203;0至約20摩 爾％的Li20 ;0至約20摩爾％的Na20 ;0至約8摩爾％的K20 ;0至約10摩爾％的MgO ;以及 0至約10摩爾％的ZnO。
4. 如權利要求1 _ 3中任一項所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，12摩爾％ 彡 Li20+Na20+K20 彡 20 摩爾 ％。
5. 如權利要求1-3中任一項所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃還包含 至少一種二價金屬氧化物R0。
6. 如權利要求5所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，R是Mg、Ca、Ba、Sr和ZnO中 的至少一種。
7. 如權利要求6所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含0 摩爾％的氏03。
8. 如權利要求1-3中任一項所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述堿性鋁硅酸 鹽玻璃不含二價金屬氧化物。
9. 如權利要求1-3中任一項所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述堿性鋁硅酸 鹽玻璃是經離子交換的，并且具有從所述堿性鋁硅酸鹽玻璃的表面延伸進入到所述堿性鋁 硅酸鹽玻璃的層深度的壓縮層。
10. 如權利要求9所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述壓縮層處于至少lGPa的 壓縮應力。
11. 如權利要求9所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃具有 至少7GPa的納米硬度。
12. 如權利要求1-3中任一項所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃還包 含至少一種澄清劑。
13. 如權利要求12所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述澄清劑包括SnO 2、As203和Sb203中的至少一種。
14. 一種堿性鋁硅酸鹽玻璃，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含約55-70摩爾％的SiO 2;約 14-20摩爾％的A1203;0至約10摩爾％的B 203; 12至約20摩爾％的R 20,其中R20選自下組： Li20、Na20、K20、Rb20和Cs 20 ;0至約10摩爾％的MgO ;以及0至約10摩爾％的ZnO,其中所 述堿性鋁硅酸鹽玻璃是經離子交換的，并且具有從所述堿性鋁硅酸鹽玻璃的表面延伸進入 到所述堿性鋁硅酸鹽玻璃的層深度的壓縮層，所述壓縮層處于至少lGPa的壓縮應力。
15. 如權利要求14所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，12摩爾％ 彡 Li20+Na20+K20 彡 20 摩爾 ％。
16. 如權利要求14或15所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃還包含至少 一種二價金屬氧化物R0。
17. 如權利要求16所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，R是Mg、Ca、Ba、Sr和ZnO 中的至少一種。
18. 如權利要求16所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包 含0摩爾％的氏03。
19. 如權利要求14或15所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻 璃不含二價金屬氧化物。
20. 如權利要求14或15所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃，其特征在于，所述至少一種堿金屬 氧化物R2〇包括Na20,并且A1203 (摩爾％ ) - Na20 (摩爾％ )彡-4摩爾％。
【文檔編號】C03C3/085GK104487392SQ201380011542
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年2月27日 優先權日:2012年2月29日
【發明者】J·C·莫羅, M·M·斯梅斯克加, M·波圖扎克 申請人:康寧股份有限公司