適于化學強化的玻璃及其強化方法
【專利摘要】本發明提供一種玻璃機械強度較高、化學穩定性優異、適于化學強化的玻璃。適于化學強化的玻璃，其重量百分比組成含有：SiO2：50-60%、Al2O3：8-18%、Na2O：12-20%、K2O：1-8%、ZrO2：1-10%、MgO：2-10%，且不含有B2O3。本發明采用SiO2-Al2O3-Na2O系玻璃，通過合理設定組分及其含量，提高了玻璃的機械強度與化學穩定性；本發明所得到的玻璃在強化溫度390-410℃、強化時間4-6小時的離子交換條件下，應力層深度達到40μm時，表面壓應力可達到800Mpa以上，玻璃被增強，抗沖擊性能好。本發明的玻璃耐磨性較高，適合用于手機、PDA等高檔電子顯示產品。
【專利說明】適于化學強化的玻璃及其強化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適于化學強化的玻璃及其強化方法。
【背景技術】
[0002]隨著觸控技術的成熟，對觸控界面的材料提出了更高的要求。觸控界面要求材料厚度很薄，具有高透光性，且具有高強度及耐劃傷性。玻璃特別是SiO2-Al2O3-Na2O類玻璃制成薄板，經過化學強化后，成為觸控界面的首選材料，并且已得到了大量應用。
[0003]SiO2-Al2O3-Na2O類玻璃在生產、加工和使用過程中，表面會產生大量微裂紋，這些微裂紋的存在使得玻璃實際強度大大低于理論強度，經過化學強化的方法使玻璃表面產生壓應力，可以提高玻璃強度，抑制表面微裂紋的擴展。化學強化法是在玻璃的應變點以下的溫度，通過離子交換在玻璃基板的表面引入離子半徑大的堿離子的方法，即:將玻璃浸泡在熔融的硝酸鉀或者硝酸鉀與硝酸鈉的混合鹽中，用熔鹽中的鉀對玻璃中的鈉進行離子交換。通過化學強化法形成壓縮應力層，即使薄型玻璃基板，也可以進行離子交換處理，從而可以得到所需的機械強度。
[0004]對于強化玻璃而言，如果提高玻璃表面形成的壓縮應力層的壓縮應力值，增大壓縮應力層的厚度，則可以提高玻璃的機械強度。但是，同時形成高的壓縮應力值和厚的壓縮應力層是困難的。因為為了得到厚的壓縮應力層，往往需要提高離子交換溫度或延長離子交換時間，但是這樣 做也容易使得玻璃壓縮應力值下降。
[0005]另外，如果SiO2-Al2O3-Na2O玻璃組成中含有B2O3,例如CN101891382A所公開的技術方案，B2O3會使玻璃的化學穩定性變差，通過離子交換后表面易產生斑點，并且B2O3的存在會顯著降低玻璃鋼化后的應力值，從而降低玻璃的鋼化效果。

【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種玻璃組份中不含B2O3，機械強度較高、化學穩定性優異、適于化學強化的SiO2-Al2O3-Na2O系玻璃。
[0007]本發明解決技術問題所采用的技術方案是:適于化學強化的玻璃，其重量百分比組成含有:Si02:50-60%, Al2O3:8-18%, Na2O: 12-20%、K2O: 1-8%, ZrO2: 1-10%, MgO:2_10%，且
不含有B2O30
[0008]進一步的，含有Sb203、Na2SO4與CeO2中的一種或多種作為澄清劑。
[0009]進一步的，其重量百分比組成為:Si02:50-60%, Al2O3:8-18%, Na2O:12-20%, K2O:1-8%、ZrO2:1-10%、MgO:2_10%，澄清劑為 Sb203、Na2SO4 與 CeO2 中的一種或多種。
[0010]進一步的，所述SiO2 為 52-59%。
[0011]進一步的，所述Al2O3 為 8-15%。
[0012]進一步的，所述Na2O 為 15.1_16%。
[0013]進一步的，所述K2O為5-8%。
[0014]進一步的，所述ZrO2為1-5%。[0015]進一步的，所述MgO 為 4.5-10%。
[0016]進一步的，所述MgO 為 5.1-10%。
[0017]進一步的，含有0-0.5% 的 Sb2O3。
[0018]進一步的，含有0-0.5% 的 Na2SO4。
[0019]進一步的，含有0-0.8% 的 CeO2。
[0020]進一步的，含有0.01-0.5% 的 Sb2O3。
[0021]進一步的，含有0.01-0.5% 的 Na2SO4。
[0022]進一步的，含有0.01-0.4% 的 CeO2。
[0023]進一步的，Na2O與K2O合計量為15-25%。
[0024]進一步的，所述玻璃熔制溫度為1480-1560°C，耐酸達到I級以上，耐潮達B級以上。
[0025]適于化學強化的玻璃的強化方法，該方法是將玻璃浸泡在KNO3熔鹽中進行離子交換處理，強化溫度為390-410°C，強化時間為4-6小時，玻璃交換層深度達到40 μ m時，玻璃表面壓應力達到800Mpa以上。 [0026]采用上述的化學強化玻璃制成的手機面板。
[0027]采用上述的化學強化玻璃制成的PDA面板。
[0028]本發明的有益效果是:本發明采用SiO2-Al2O3-Na2O系玻璃，通過合理設定組分及其含量，提高了玻璃的機械強度與化學穩定性；本發明所得到的玻璃在強化溫度390_410°C、強化時間4-6小時的離子交換條件下,應力層深度達到40 μ m時，表面壓應力可達到800Mpa以上，玻璃被增強，抗沖擊性能好。本發明的玻璃耐磨性較高,適合用于手機、PDA等高檔電子顯示產品的保護性玻璃材料。
【具體實施方式】
[0029]發明人通過研究發現，玻璃組份中通過引入適量的ZrOjP Al2O3，利用ZrOjP Al2O3的高硬度玻璃成分的特性，并且保持高堿金屬含量的條件，可以有效提高玻璃的機械強度，即可以實現提高玻璃表面形成的壓縮應力層的壓縮應力值的同時，使壓縮應力層的厚度也得以增大。該玻璃在較低的強化溫度下，以及較短的強化時間內，可獲得更深的應力層深度，并且在具有較深的應力層的同時具有較高的壓應力。
[0030]以下對本發明的玻璃中可含有的組分進行說明，各組分的含有量以重量％表示。
[0031]SiO2是形成玻璃骨架的主要成份，其含量越高，越可以提高化學耐久性以及玻璃的機械強度，當其含量在50%以下時，玻璃本征強度不好；但當其含量超過60%時，熔化溫度過高。因此，SiO2含量限定為50-60%，優選為52-59%。
[0032]Al2O3在玻璃組成中為玻璃表面的離子交換提供性能，同時也是改善玻璃化學穩定性、降低玻璃析晶傾向以及提高玻璃硬度和機械強度的必要組分，若Al2O3在8%以下，交換效果不好，無法滿足強化性能要求，但當其含量超過18%時，玻璃粘度增加，熔化溫度大大提高，且耐失透性能惡化。因此，Al2O3的含量為8-18%，優選含量為8-15%。
[0033]作為鋁硅酸鹽玻璃，玻璃當中存在大量中間體氧化物Al2O3,如果堿金屬存在較多，玻璃中鋁以四面體存在，其體積較硅氧四面體更大，會產生更大空隙，使得玻璃表面離子交換更容易，而且交換的深度也更大，對于劃傷和沖擊破壞起到抑制作用，明顯提高機械強度。
[0034]以往，為了解決該問題，研究了在玻璃組成中引入Al203、Zr02等提高離子交換性能的成分的方案，但是，大量引入這些成份時，玻璃的耐失透性容易下降，因此這些成分的添加量存在限度。
[0035]ZrO2有提高玻璃硬度的效果，當其含量在10%以下時，可提高化學穩定性；但若超過10%，玻璃的耐失透性低下，而且易作為熔爐底部的未溶物，沉淀趨勢變強。因此，ZrO2的含量限定為1_10%，優選為1-5%。
[0036]Na2O是玻璃表層與離子交換處理液中的K離子進行離子交換從而實現玻璃化學強化的必須成份，同時其還作為易熔玻璃組分，可降低玻璃熔融溫度，若其含量在12%以下，交換性能不好，且熔制溫度提高；但當含量超過20%，化學穩定性劣化，且硬度變小。因此Na2O的含量限定為12-20%，優選含量為15.1_16%。
[0037]K2O通過與Na2O混合堿的效果，能夠提高玻璃熔融性，并降低玻璃的粘度，但K2O含量增加將使玻璃內K+含量增加，影響玻璃的強化效果，因此，K2O含量限定為1-8%，優選含量為5-8%。Na2O與K2O合計量范圍限定為15-25%。
[0038]本發明人通過研究發現，MgO是用來提高玻璃本征強度的關鍵組分，不僅能起到消除或鈍化玻璃產生微裂紋的作用，可以提高所述玻璃離子交換后的表面壓應力值，而且具有提高玻璃的楊氏模量的效果。當MgO組分含量不足2%，達不到上述效果；如果超過10%，則玻璃易失透，因此其含量為2-10%，優選為4.5-10%,更優選為5.1-10%。
[0039]同時，本發明所述玻璃組分中的堿土金屬組分僅引入MgO，因為發明人發現，在本發明配方系統中引入BaO、SrO、CaO中的一種或幾種，達不到只引入MgO對玻璃強度性能提升的效果，且玻璃易發脆，因此本發明不引入BaO、SrO和CaO。
[0040]本發明可選用Sb203、Na2SO4或CeO2 —種或幾種混合作為澄清劑，其中，Sb2O3含量為0-0.5%,優選為0.01-0.5% ；Na2S04含量為0-0.5%,優選為0.01-0.5% ；Ce02含量范圍為0-0.8%,優選為 0.01-0.4%O
[0041]本發明玻璃的生產工藝如下(不限于本生產工藝):
[0042]I)按重量比例稱量各組份的氧化物、碳酸鹽和硝酸鹽等常用玻璃原料，充分混合后加入怕金樹禍內；
[0043]2)在1480_1560°C下熔化、澄清、均化后降溫；
[0044]3)將熔融玻璃液澆注入預熱后的金屬模，將玻璃連同金屬模一起放入退火爐內退火冷卻后即得。
[0045]將本發明所得到的玻璃加工成50X 50X Imm的規格，在溫度為390_410°C的KN03熔鹽中進行離子交換處理，強化浸泡4-6小時，使玻璃表層的Na離子與上述處理液中的K離子進行離子交換，得到化學強化玻璃。
[0046]本發明所述玻璃更容易離子交換，表現在更短的鋼化時間內，以更低的交換溫度獲得更高的表面壓應力和更深的交換層深度。具體說，本發明玻璃在390-410°C鋼化溫度下，鋼化時間在4-6小時，可以得到40 μ m的交換層深度，而且表面壓應力更大，達到800MPa以上，這既可以降低鋼化成本，也可以保證質量，特別是對超薄玻璃而言，如果應力層深度不夠，玻璃在精拋時，應力層容 易被磨掉，玻璃表面的耐劃傷能力不強，易變形。
[0047]玻璃表面壓應力及應力層深度測定在FSM - 6000表明應力儀上進行。強化好的玻璃樣品(50 X 50 X lmm)經擦拭后，放在涂有折射液(折射液的折射率大于1.64)的玻璃測
試臺上。FSM - 6000利用強化樣品表面層的光波導效應測量表面壓應力和應力層深度。
[0048]膨脹系數測試根據GB/T7962.16—1987《無色光學玻璃測試方法膨脹系數、轉變
溫度》。
[0049]根據GB/T7962.14—1987《無色光學玻璃測試方法耐酸》，測試玻璃耐酸性能。
[0050]根據GB/T7962.15—1987《無色光學玻璃測試方法耐潮》，測試玻璃耐潮級別。
[0051]下面表1-表3是本發明的15個實施例。
[0052]表1
[0053]
【權利要求】
1.適于化學強化的玻璃，其特征在于，其重量百分比組成含有=SiO2:50-60%, Al2O3:8-18%、Na2O: 12-20%、K2O: 1-8%, ZrO2: 1-10%, MgO:2_10%，且不含有 B2O30
2.如權利要求1所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，含有Sb203、Na2S04與CeO2中的一種或多種作為澄清劑。
3.如權利要求1所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，其重量百分比組成為:SiO2:50-60%, Al2O3:8-18%, Na2O: 12-20%、K2O:1_8%、ZrO2:1_10%、MgO:2_10%，澄清劑為Sb2O3^Na2SO4與CeO2中的一種或多種。
4.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，所述SiO2為52-59%。
5.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，所述Al2O3為8-15%。
6.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，所述Na2OS15.1-16%。
7.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，所述K2O為5-8%。
8.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，所述ZrO2為1_5%。
9.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，所述MgO為4.5-10%。
10.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，所述MgO為5.1-10%。
11.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，含有0-0.5%的Sb2O3。
12.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，含有0-0.5%的Na2SO4。
13.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，含有0-0.8%的CeO2。
14.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，含有0.01-0.5%的Sb2O3。
15.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，含有0.01-0.5%的Na2SO4。
16.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，含有0.01-0.4%的CeO20
17.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，Na2O與K2O合計量為 15-25%。
18.如權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃，其特征在于，所述玻璃熔制溫度為1480-1560°C，耐酸達到I級以上，耐潮達B級以上。
19.權利要求1、2或3所述的適于化學強化的玻璃的強化方法，其特征在于，該方法是將玻璃浸泡在KNO3熔鹽中進行離子交換處理，強化溫度為390-410°C，強化時間為4_6小時，玻璃交換層深度達到40 μ m時，玻璃表面壓應力達到800Mpa以上。
20.采用權利要求1-18任一權利要求所述的化學強化玻璃制成的手機面板。
21.采用權利要求1-18任一權利要求所述的化學強化玻璃制成的PDA面板。
【文檔編號】C03C3/085GK103992032SQ201310331941
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年8月1日 優先權日:2013年8月1日
【發明者】孫偉 申請人:成都光明光電股份有限公司