本發明涉及一種化學強化用玻璃以及由該玻璃經化學強化制備的抗斷裂玻璃板。
背景技術：
在智能手機、平板電腦等移動終端顯示裝置上，薄板鋁硅酸鹽玻璃作為保護用蓋板玻璃被廣泛使用。伴隨人們對智能手機等移動終端裝置外觀以及性能的追求，蓋板玻璃從傳統的2D外形，逐步向2.5D、3D外形過渡。這也對作為保護屏幕用的蓋板玻璃性能提出了更為苛刻的要求。薄板硅酸鹽玻璃需要進行化學強化處理，強度會得到提高。但是，普通的硅酸鹽玻璃強度還是不能滿足日常使用需求，如手機的多次跌落以及與尖銳物體的碰撞等，都會造成屏幕的破損。同時，用于手機的2D玻璃板加工過程中，會有加熱過程。用于手機的2.5D、3D玻璃加工過程在加熱的基礎上，還增加了加壓彎曲過程。以上都會對玻璃的抗斷裂、抗彎曲以及抗摔落性能造成負面的影響。
總之，現有的玻璃板、尤其是電子設備中使用的保護玻璃板在抗斷裂、抗彎曲以及抗摔落性能方面仍然存在不足。申請人意在提供一種新的玻璃板，以保證其抗斷裂、抗彎曲以及抗摔落性能達到最佳狀態。
技術實現要素：
為了獲得這樣的玻璃板，本發明首先提供一種化學強化用玻璃，其中，以摩爾百分比計，所述玻璃含有：
SiO2：59～67％；
Al2O3：6～12％；
Na2O：10～16％；
K2O：2～5％；
MgO：7～11％；
ZnO：0～2％；
Li2O：0～2％；
其中，SiO2與(R2O+EO)的摩爾比為2～4，其中R為Na，E為Mg、Zn。
在更有利的情況中，SiO2與(R2O+EO)的摩爾比為2.2～3.6，其中R為Na，E為Mg、Zn。
在進一步有利的情況中，SiO2與(R2O+EO)的摩爾比為2.4～3.2，其中R為Na，E為Mg、Zn。
進一步地，所述玻璃還含有，以摩爾百分比計：
ZrO2：0～2％；
B2O3：0～1.5％。
在進一步優選的化學強化用玻璃中，Na2O、K2O、Li2O的摩爾含量之和大于14％。
在優選的化學強化用玻璃中，所述玻璃中的各組份滿足以下關系式(1)：
60≤62*W1+41*W2+51*W3+181*W4+69*W5≤82(1)
W1為玻璃中Na2O的摩爾百分比；
W2為玻璃中K2O的摩爾百分比；
W3為玻璃中ZnO的摩爾百分比；
W4為玻璃中Al2O3的摩爾百分比；
W5為玻璃中SiO2的摩爾百分比。
根據本發明的玻璃，或者尤其制成的玻璃板，具有66-80GPa的彈性模量。更優選地，所述玻璃或者尤其制成的玻璃板具有70-80GPa的彈性模量。
基于上述化學強化用玻璃，本發明在另一方面提供了一種抗斷裂玻璃板，其為對上述玻璃制成的玻璃板進行化學強化處理而得到的化學強化玻璃板。
盡管對玻璃板的厚度沒有限制，但是有利地，所述玻璃板的厚度為0.3mm-1.2mm。
根據本發明的玻璃板特別適用為電子顯示設備的保護玻璃板。根據具體的電子設備或其他要求，所述保護玻璃板可以成形為2D、2.5D或3D彎曲的形狀。
本發明的抗斷裂玻璃板，通過將前述玻璃制成的玻璃板于390至450℃的硝酸鉀熔融液中浸泡4小時以上而得到。
具體實施方式
為了解決玻璃板、特別是用于電子顯示設備的玻璃板的抗斷裂、抗彎曲以及抗摔落性能等各方面性能都不佳的難題，本發明提供了一種解決上述問題的抗斷裂化學強化玻璃板。
本文所用術語“化學強化”或“化學鋼化”及類似術語，具有本領域中的通用含義，一般是指用直徑更大的堿離子交換玻璃組合物中的堿離子，本文指稱的所有玻璃組合物的成份都是針對進行化學強化(離子交換)之前的玻璃(板)。作為化學強化的具體方法，例如，可以用熔融鹽中K+離子與玻璃表層的Na+離子進行離子交換，然后冷卻。由于鉀離子的體積差造成表面壓應力層，提高了玻璃的強度。
材料在外力的作用下會發生變形，當外力去掉后能恢復原來形狀的性質稱為彈性。玻璃材料的彈性主要通過彈性模量來量度。彈性模量是表征材料應力與應變關系的物理量，是表示材料變形的抵抗力。一般會認為玻璃的彈性模量與抗斷裂、抗彎曲以及抗摔落性會存在一定的關聯。
因此，本申請的發明人首先希望提供一種具有合適彈性模量的化學強化用玻璃板。在實際生產制造過程和大量實驗研究發現：玻璃板的彈性模量與玻璃材料的成份即化學組成存在緊密的聯系。彈性模量與玻璃內部組成質點間化學鍵強強度相關，鍵力越強變形越小。一般認為，SiO2屬于構成玻璃的網絡形成體，Al2O3則是針對玻璃強度，起到修補網絡的作用，使得玻璃中結構趨于緊密，增強玻璃的抗折強度和硬度。離子半徑小的極化能力強的離子Li+、Zr+的加入也可能會提升玻璃的彈性模量。盡管如此，對于更高要求的彈性模量，仍舊需要進一步摸索玻璃的成份。
適用于本發明應用的玻璃主要為鋁硅酸鹽玻璃，特別是高鋁硅酸鹽玻璃。本發明的發明人發現，具有以下組成的玻璃可以用來提供具有優異抗斷裂性能的玻璃板，以摩爾百分比表示，所述玻璃含有：
SiO2：59～67％；
Al2O3：6～12％；
Na2O：10～16％；
K2O：2～5％；
MgO：7～11％；
ZnO：0～2％；
Li2O：0～2％。
在一些實施方案中，根據本發明的玻璃除了上述成份之外，還含有：
ZrO2：0～2％；
B2O3：0～1.5％。
申請人在大量的實驗中意外地發現，將SiO2與(R2O+EO)(其中R為Na，E為Mg、Zn)的摩爾比限定在2-4之間，玻璃的彈性模量將明顯上升。在優選的實施方案中，SiO2與(R2O+EO)(其中R為Na，E為Mg、Zn)的摩爾比在2.2-3.4之間。在最優選的實施方案中，SiO2與(R2O+EO)(其中R為Na，E為Mg、Zn)的摩爾比在更優選2.4-3.2之間。
在化學強化用玻璃的優選實施方案中，玻璃中Na2O、K2O、Li2O的總量應當大于14％。此時，發現玻璃的彈性模量得以進一步提高，這可能是歸因于這樣的組成便于玻璃得到充分的熔解和均化。
在本發明的發明人對玻璃板的彈性模量的不斷嘗試和研究中，意外地發現將玻璃組合物中的一些或全部組分控制在適當的范圍內對于實現最佳彈性模量范圍是有利的。簡單來說，根據本發明的優選的玻璃組合物，其成分滿足以下的關系式：
62≤62*W1+41*W2+51*W3+181*W4+69*W5≤82 (1)
其中：W1為玻璃組份中Na2O的摩爾百分比；
W2為玻璃組份中K2O的摩爾百分比；
W3為玻璃組份中ZnO的摩爾百分比；
W4為玻璃組份中Al2O3的摩爾百分比；
W5為玻璃組份中SiO2的摩爾百分比。
申請人發現，滿足關系式(1)的玻璃(組合物)所制成的玻璃板，會具有令人滿意的彈性模量。具有本說明書中所述組成的玻璃，有利地具有66-80GPa、優選70–80GPa的彈性模量。可以理解的是，這樣的玻璃或玻璃板在經過化學強化工藝處理之后，會具有更高的彈性模量。
“化學強化”或“離子交換”在本文中應理解為通過玻璃制造領域的技術人員所知的離子交換方法強化玻璃。這樣的離子交換方法包括但不限于熱熔液處理熱堿金屬鋁硅酸鹽玻璃(或其他合適的含堿玻璃)，其中熱熔液包含離子半徑大于玻璃玻璃表面中存在的離子的離子，從而以較大的離子置換較小的離子。例如，鉀離子可以置換玻璃中的鈉離子或鋰離子。或者其他具有較大原子半徑的堿金屬離子，如銣或銫可置換玻璃中較小的堿金屬離子，如鉀等。類似地，離子交換法中可以使用其他堿金屬鹽，包括但不限于硫酸鹽、鹵化物等。在本發明中，可以將由前述組成的玻璃所制成的玻璃板置于390至450℃的硝酸鉀熔融液中浸泡4小時以上，由此完成了化學強化。
根據本發明的玻璃制成的玻璃板，不僅具有最佳的彈性性能，而且對于本發明尤其重要的是，在經過化學強化后具有優異的抗彎曲和抗碎裂性能。這極大地增加了根據本發明的玻璃板的實用性。
在本發明中，一般對玻璃板的厚度沒有特別限制。根據實際使用的需要，玻璃板的厚度通常在2mm以下。為了滿足顯示設備用輕薄化的需求，本發明所述玻璃板厚度優選為0.3mm～1.2mm。
根據本發明的經化學強化的玻璃板特別適用于手機、平板電腦等電子顯示設備，例如在電子顯示設備用作保護玻璃板。并且，在手機、平板電腦等電子顯示設備上使用時，根據本發明的玻璃板還可以根據需要方便地成形為2D、2.5D或3D彎曲的形狀。其中，2D、2.5D或3D玻璃板具有在本領域中熟知的含義。
本發明的玻璃或化學強化玻璃板與現有技術相比，至少具有以下優點及有益效果：
1、本發明精選了玻璃中化學成分的配比，使玻璃板材料獲得較佳范圍的彈性模量，進而通過化學強化取得更好的抗斷裂、抗彎曲以及抗摔落性能。
2、通過本發明配比生產出的玻璃板，經過化學強化后，玻璃擁有較高的強度，通過多點落球都未破裂，進一步提升了玻璃板的品質，從而延長其使用壽命，達到保護顯示設備的目的。
實施例
下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
首先制備玻璃板。按照表1中實施例1至8的組分比例進行配比，得到不同的組分含量的玻璃，并進一步制成玻璃板。為了進行比較，還給出了5組對比例，即表1中對比例1至對比例5，制備出相應的玻璃以及玻璃板。
本發明中各玻璃板的具體制備過程如下：
按照上述表1的組分比例進行配比，將混合原料裝入密封袋，在密封袋內進行混勻，而后倒入鉑金坩堝中熔化，將熔融玻璃液澆注在金屬模具中，將玻璃連同金屬模一起放入退火爐內進行精密退火冷卻，最后制成厚度為0.55mm的玻璃板。
通過切割、研磨工序后將玻璃板制成180mm×80mm×0.55mm的玻璃板小樣，每種實施例、對比例各30片。然后用彈性模量測試儀器測出實際彈性模量值進行比對，測試的結果如表2所示。表2中還給出根據關系式(1)計算的各玻璃的數值。
表2
然后，將這些玻璃樣片在相同的化學鋼化條件下進行處理(于420℃，將玻璃板浸泡至硝酸鉀熔融液中化學強化4小時)，由此得到了對應的經化學強化的玻璃板。
將由此得到的各組化學強化玻璃板小樣分別進行單點落球，5點落球性能測試。同時進行4點彎曲性能測試，該測試樣品為10片，測試的結果如表3所示。
其中，單點多次落球采用130g鋼球，基高15cm，中心點跌落3次，每次上升5cm，直至玻璃破裂為止。該測試樣品為10片。
5點落球采用130g鋼球，標準高度16cm，每點3次，直至玻璃破裂為止。該測試樣品為10片。
表3
通過表3可以看出，本發明中實施例1-8所示各組分所制成的玻璃板，其各個參數值均高于對比例1-5。具體來說，根據本發明實施例1-8的配方制成的化學強化玻璃板不僅彈性模量均在66-80GPa的范圍，實際上在70GPa以上，而且在4點彎曲中測量的彎曲性能均高達800MPa或以上，在單點落球實驗中均高達45CM以上，在5點落球實驗中也均為5點通過。
上述實施例僅為本發明的優選實施例，并非對本發明保護范圍的限制，但凡采用本發明的設計原理，以及在此基礎上進行非創造性勞動而作出的變化，均應屬于本發明的保護范圍之內。