假想化的玻璃及其制備方法
【專利說明】假想化的玻璃及其制備方法
[0001] 本申請根據(jù)35U.S.C. § 119要求2013年01月31日提交的美國臨時(shí)申請系列第 61/759061號的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請的內(nèi)容為基礎(chǔ)并通過參考將其完整地結(jié)合于此。
[0002] 背景
[0003] 本發(fā)明涉及能通過離子交換進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化來具有固有的耐損壞性的玻璃。具體來 說，本發(fā)明涉及快速冷卻的和離子交換的這種玻璃。
[0004] 與現(xiàn)有的玻璃組合物相比，可離子交換的玻璃組合物在玻璃制造能力和/或最終 性質(zhì)方面提供優(yōu)勢。這種玻璃用于例如但不限于下述的應(yīng)用：用于各種電子器件中的蓋板 玻璃、窗戶、外殼等，包括在娛樂和通訊器件中的顯示器。形成后的退火過程趨于降低這種 玻璃的耐損壞性。
[0005] 概述
[0006] 提供快速冷卻的或假想化的（fictivated)硅酸鹽玻璃，其具有高水平的固有的 或"天然的"耐損壞性。當(dāng)進(jìn)行離子交換時(shí)，本文所述的硅酸鹽玻璃的維氏（Vickers)裂 紋引發(fā)閾值為至少15千克力，在一些實(shí)施方式中，為至少約25千克力。
[0007] 因此，本發(fā)明的一方面提供硅酸鹽玻璃，其維氏裂紋引發(fā)閾值為至少15千克力。 所述硅酸鹽玻璃包含：至少約50摩爾％SiO2;至少約10摩爾％R2O,其中R2O包含Na2O;Al2O3,其中-0.5摩爾A1203(摩爾％ ) -R20(摩爾％ < 2摩爾％ ;以及B2O3,其中 B2O3 (摩爾％ )_(R2O(摩爾％ ) _Al2O3 (摩爾％ ))彡4. 5摩爾％。硅酸鹽玻璃具有假想溫 度（fictivetemperature)，該假想溫度大于或等于具有娃酸鹽玻璃組成的過冷液體的粘 度為1〇12泊（Poise)時(shí)的溫度。
[0008] 本發(fā)明的第二方面提供硅酸鹽玻璃，該硅酸鹽玻璃具有等于硅酸鹽玻璃的粘度為 約30千泊-約40千泊（kPoise)時(shí)的溫度的鋯石分解溫度，至少15千克力的維氏裂紋 引發(fā)閾值，以及應(yīng)變點(diǎn)。所述硅酸鹽玻璃包含：至少約50摩爾％SiO2;至少約10摩爾％ 私0，其中私0包含似20 41203，其中八1203 (摩爾％)〈1?20(摩爾％);以及8203，其中820 3 (摩 爾％) - (R20(摩爾％ ) -Al2O3(摩爾％ ))彡2摩爾％，其中硅酸鹽玻璃的假想溫度大于 或等于具有硅酸鹽玻璃組成的過冷液體的粘度為1〇12泊時(shí)的溫度。
[0009] 本發(fā)明的第三方面提供制備硅酸鹽玻璃的方法，該硅酸鹽玻璃的維氏裂紋引發(fā)閾 值為至少15千克力。所述硅酸鹽玻璃包含：至少約50摩爾％SiO2;至少約10摩爾％R20， 其中R2O包含Na2O;以及B2O3,其中B203(摩爾％) - (R20(摩爾％ ) -A1203 (摩爾％ ))彡2 摩爾％。所述方法包括：把硅酸鹽玻璃加熱到第一溫度，在該第一溫度下玻璃的粘度是約 IO9泊-約10 13泊，以及把硅酸鹽玻璃從第一溫度快速冷卻到第二溫度，其中第二溫度小 于硅酸鹽玻璃的應(yīng)變點(diǎn)，其中，快速冷卻的硅酸鹽玻璃的維氏裂紋引發(fā)閾值為至少15千克 力。
[0010] 從以下詳細(xì)描述、附圖和所附權(quán)利要求書能明顯地看出本發(fā)明的上述及其他方 面、優(yōu)點(diǎn)和顯著特征。
[0011] 附圖簡要說明
[0012] 圖1是表1和3a中所列玻璃的平均壓縮應(yīng)力（CS)和層深度（DOL)的圖表；
[0013] 圖2是離子交換的熔合拉制的玻璃和退火玻璃所得的維氏壓痕閾值的圖表；
[0014] 圖3是離子交換的假想化的和退火的具有表2和3b中所列玻璃組合物的樣品所 得的維氏壓痕閾值的圖表；以及
[0015] 圖4是維氏壓痕閾值和楊氏模量隨假想溫度變化的圖表。
[0016]具體描述
[0017] 在下面的描述中，在圖中所示的多個(gè)視圖中，類似的附圖標(biāo)記表示類似或?qū)τ诘?部分。還應(yīng)理解，除非另外指出，術(shù)語如"頂部"，"底部"，"向外"，"向內(nèi)"等是常用詞語，不 構(gòu)成對術(shù)語的限制。此外，應(yīng)理解，描述一個(gè)基團(tuán)為包含元素的基團(tuán)和它們的組合中的至少 一個(gè)時(shí)，該基團(tuán)可包含許多所列元素，或單獨(dú)的或相互的組合，或者由它們組成，或者主要 由它們組成。類似的，每當(dāng)將一個(gè)組描述為由一組要素中的至少一個(gè)要素或它們的組合組 成時(shí)，應(yīng)將其理解為所述組可以單個(gè)要素或相互組合的形式由任何數(shù)量的這些所列要素組 成。除非另外說明，列舉的數(shù)值范圍同時(shí)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(gè)"或"一種"及其相應(yīng)的 定冠詞"該"表示至少一（個(gè)/種），或者一（個(gè)/種）或多（個(gè)/種）。還應(yīng)理解，本說明 書和附圖所批露的各種特征可以任意和全部組合來使用。
[0018]如本文所使用，術(shù)語"玻璃"和"玻璃（glasses) "同時(shí)包含玻璃和玻璃陶瓷。術(shù) 語"玻璃制品"和"玻璃制品（glassarticles)"以它們最廣泛的意義來使用，包括全部或 部分由玻璃和/或玻璃陶瓷制成的任何物體。
[0019]應(yīng)注意，本文可用術(shù)語"基本上"和"約"表示可由任何定量比較、數(shù)值、測量或其 它表示方法造成的內(nèi)在不確定性。在本文中還使用這些術(shù)語表示數(shù)量的表示值可以與所述 的參比值有一定的偏離程度，但是不會導(dǎo)致審議的主題的基本功能改變。
[0020] 參見所有附圖，并具體參見圖1，應(yīng)理解這些圖的目的是描述本發(fā)明的具體實(shí)施方 式，這些圖不構(gòu)成對本發(fā)明的說明書或所附權(quán)利要求書的限制。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 式顯不。
[0021] 與現(xiàn)有的玻璃組合物相比，持續(xù)地開發(fā)在玻璃制造能力和/或最終性質(zhì)方面提供 優(yōu)勢的新的可離子交換的玻璃組合物。這種玻璃用于例如但不限于下述的應(yīng)用：用于各種 電子器件中的蓋板玻璃、窗戶、外殼等，包括在娛樂和通訊器件中的顯示器。
[0022] 目前，這種玻璃通?；趦煞N類似的玻璃體系JiO2-Al2O3-B2O3-MgO-Na2O-P2O5和 SiO2-Al2O3-MgO-Na2O13如通過維氏（Vickers)裂紋壓痕試驗(yàn)所測量，因?yàn)椴Ａе写嬖谂鸹?磷，第一組玻璃通常在離子交換之后呈現(xiàn)高壓痕閾值。存在硼和磷在玻璃中產(chǎn)生開口結(jié)構(gòu) (即，高摩爾體積）。
[0023] 除了組成影響以外，歷程開口結(jié)構(gòu)還會因熱歷程形成。本文所述的是可離子交換 的硅酸鹽玻璃，其中通過熱處理離子交換的玻璃板來引入耐損壞性/壓痕閾值。通過成形 后假想化（fictivation)過程來改善壓痕閾值。如本文所使用，"假想化"是指通過合適 的熱處理在玻璃上施加特定的假想溫度或熱歷程。術(shù)語"快速冷卻"是指以至少5°C/秒的 速率把材料從第一溫度冷卻到第二溫度。具體來說，如本文所使用，這些術(shù)語指將玻璃加 熱到玻璃粘度小于1〇 13泊（P)的第一溫度，然后使玻璃在第一溫度下平衡預(yù)定的時(shí)間段，隨 后把玻璃快速驟冷到低于玻璃應(yīng)變點(diǎn)的第二溫度。在一些實(shí)施方式中，將玻璃加熱到玻璃 粘度為約IO9泊-約10 13泊的第一溫度，然后使玻璃在第一溫度下平衡且把玻璃快速驟冷 到低于玻璃應(yīng)變點(diǎn)的第二溫度，在其他實(shí)施方式中，假想化包括將玻璃加熱到玻璃粘度為 約IO9泊-約IO11泊的第一溫度，然后使玻璃在第一溫度下平衡且把玻璃快速驟冷到低于玻 璃應(yīng)變點(diǎn)的第二溫度。在一些實(shí)施方式中，假想化包括將玻璃加熱到玻璃粘度為約10 1°泊 (P)的第一溫度，然后使玻璃在第一溫度下平衡預(yù)定的時(shí)間段，且隨后把玻璃快速驟冷到低 于玻璃應(yīng)變點(diǎn)的第二溫度。在一些實(shí)施方式中，把玻璃從第一溫度快速冷卻到第二溫度，該 第二溫度是約室溫（25°c±10°C)。
[0024] 與假想化相比，形成后退火過程趨于降低玻璃的壓痕閾值。通過使用快速冷卻， 壓痕閾值可是緩慢冷卻或退火的玻璃取得的壓痕閾值的至少兩倍。其中應(yīng)開始快速冷卻來 形成高壓痕閾值的溫度對應(yīng)于約IO9-IO11泊，在一些實(shí)施方式中，約IO9-IO11泊，在其他實(shí) 施方式中，約IOw-IOia5泊的臨界粘度。
[0025] 如本文所使用，術(shù)語"假想溫度"指反映對玻璃焓的結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)的溫度。玻璃的 假想溫度可通過量熱方法來測定，如郭曉軍（XiaojuGuo)等的"用于測定具有任意熱歷程 的玻璃的洽假想溫度的統(tǒng)一方法（Unifiedapproachfordeterminingtheenthalpic fictivetemperatureofglasseswitharbitrarythermalhistory)，'，(〈〈非晶體固體學(xué) 報(bào)（JournalofNon-CrystallineSolids)》357(2011)頁碼：3230-3236)。該文的全部內(nèi) 容通過引用納入本文。在本文所述的玻璃中，假想溫度大于或等于形成玻璃的液體（即， 具有相同組成的過冷液體）的粘度為1〇 12泊的溫度。
[0026] 本文所述的是快速冷卻的或假想化的硅酸鹽玻璃，其具有高水平的固有的或"天 然的"耐損壞性。當(dāng)進(jìn)行離子交換時(shí)，本文所述的硅酸鹽玻璃的維氏（Vickers)裂紋引發(fā) 閾值為至少15千克力，在一些實(shí)施方式中，為至少約25千克力。
[0027] 在一些方面中，本文所述的硅酸鹽玻璃包含至少約50摩爾％SiO2